Текст
                    азаа
газов
ср 8Л/1 fcfTp CS М Ml


В. Н. УЖОВ, Б. И. МЯГКОВ ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ ФИЛЬТРАМИ ИЗДАТЕЛЬСТВО „ХИМИЯ11 МОСКЗА 1970
УДК 66.074.2 : 621,928.028.4 У 33 У ж о в В. Н., Мягков Б. И. Очистка промышленных газов фильтрами В книге’изложены теоретические основы очистки газов от взвешенных в них частиц фильтрующими аппаратами. При- ведены методы подбора и расчета пылетуманоулавливающих фильтров, описано технологическое оборудование, применяе- мое при очистке. Рассмотрены режимы работы фильтров для очистки газов на предприятиях химической, металлургиче- ской и других отраслей промышленности. В приложениях помещены необходимые для расчета справочные данные и таблицы. Книга предназначена для инженерно-технических работ- ников промышленных предприятий, проектных и научно- исследовательских институтов. Она может быть также по- лезна студентам вузов и техникумов. Книга содержит 193 рисунка, 47 таблиц, 428 библиогра- фических ссылок. 3-14-2 187-С9
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие.. ... 5 Введение... .................................................... Ч Литература.......... ... ................ 17 Глава I. Основы теории фильтрации аэрозоле? . 18 Механизм процесса фильтрации . 18 Эффективность захвата частиц изолированным цилиндром ... 22 Фильтрация аэрозолей волокнистыми фильтрами . . . . 35 Зависимость эффективности осаждения от основных параметров процесса фильтрации....................................... 42 Осаждение частиц в волокнистых фильтрах под влиянием электри- ческих зарядов......................................... 48 Сопротивление волокнистых фильтров........................ 55 Сопротивление и коэффициент проскока фильтров ... 63 Расчет эффективности волокнистых фильтров........... . . 65 Вторичные процессы при фильтрации аэрозолей............... 71 Литература............................................. 82 Глава II. Волокнистые промышленные фильтры . ......... 85 Общая характеристика волокнистых фильтров . . .85 Сухие волокнистые фильтры............................... 86 Мокрые волокнистые фильтры . ........................ 107 Литература................ . . .............. 121 Глава III. Фильтры для очистки атмосферного воздуха (воздушные фильтры) .... ....... . . 123 Назначение и классификация воздушных фильтров ... 123 Методы испытания воздушных фильтров...................... 125 Воздушные фильтры III класса (для очистки воздуха от грубой пыли) ................................................... 127 Воздушные фильтры II класса . .... 141 Воздушные высокоэффективные фильтры I класса . . . 143 Сравнительные характеристики воздушных фильтров . 146' Выбор и эксплуатация фильтров для очистки воздуха . 152 Литература..................................... 156 Глава IV. Тканевые фильтры . . ................ 157 Особенности улавливания пыли тканями..................... 157 Фильтровальные материалы для тканевых фильтров 162 Структура фильтровальных тканей........ 170 Гидравлическое сопротивление тканевых фильтров . 172 Электрические свойства тканей и пыли ... 181 Общие сведения о тканевых фильтрах ... .184 Принципы устройства тканевых фильтров................ . . 187 Способы регенерации тканевых фильтров ................... 192 3
Тканевые фильтры с вспомогательным фильтрующим слоем . 203 Методы расчета тканевых фильтров......................... 204 Конструкции промышленных тканевых фильтров ... 208 Стоимость обеспыливания газов в тканевых фильтрах . . 222 Выбор тканевых фильтров.................................. 223 Эксплуатация тканевых фильтров........................... 225 Техника безопасности на установках тканевых фильтров . . . 230 Литература............................................... 231 Глава V. Применение тканевых фильтров в различных отраслях про- мышленности ..................................... 234 Применение тканевых фильтров в химической промышленности 234 Очистка газов при получении и обработке порошков и пылевидных материалов................................................ 238 Применение тканевых фильтров на асбестообогатительных фабри- ках .................................................... 241 Применение тканевых фильтров на цементных заводах........ 243 Применение тканевых фильтров на заводах черной металлургии 250 Применение тканевых фильтров на заводах цветной металлургии 152 Применение тканевых фильтров на тепловых электростанциях 259 Литература............................................... 260 Глава VI. Зернистые фильтры.................................... 262 Механизм улавливания частиц в зернистых фильтрах . . . 262 Зернистые насыпные фильтры.............................. 268 Зернистые жесткие фильтры ............................... 280 Литература.......................... ................... 292 Глава VII. Примеры подбора и расчета фильтров . . ........... 294 Расчет установки для улавливания активной сажи . 294 Расчет установки для очистки отходящих от сушильного барабана газов, содержащих минеральную пыль..................... 300 Расчет установки для очистки приточного воздуха в системе венти- ляции производственных помещений.......................... 303 Расчет волокнистого слоевого фильтра для стерилизации воздуха, подаваемого в ферментер................................... 304 Приложение I. Характеристика фильтров тонкой очистки с филь- трующими материалами ФП................................... 308 Приложение II. Истинная и насыпная плотность порошкообраз- ных материалов.......................................... 311 Приложение III. Основные физические свойства газов .... 312 Рекомендуемая литература по очистке газов фильтрацией .... 313 Предметный указатель........................................... 316
ПРЕДИСЛОВИЕ Развитие химической, нефтеперерабатывающей, метал- лургической, энергетической, цементной и других отра- слей промышленности характеризуется интенсификацией процессов производства, обычно сопровождающейся все большим использованием или переработкой промышлен- ных газов и вентиляционного воздуха. Очистка воздуха и газов от содержащихся в них взве- шенных твердых и жидких частиц необходима для пре- дотвращения загрязнения воздушного бассейна населен- ных мест вредными веществами (золой дымовых газов, пылью цементных производств); улучшения условий труда в производственных помещениях (очистка вентиляцион- ного воздуха, подаваемого в цехи); извлечения из газов ценных продуктов (улавливание соединений цинка, свин- ца, меди, никеля и других металлов из газов обжиговых печей на заводах цветной металлургии и сажи на сажевых заводах); извлечения из газов примесей по ходу техно- логического процесса (очистка печных газов серноки- слотного производства от пыли огарка, частиц тумана серной кислоты и окислов мышьяка); уменьшения изно- са оборудования (очистка от пыли приточного воздуха, подаваемого на охлаждение электрогенераторов и элек- тродвигателей); улучшения качества продукции (очистка приточного воздуха, подаваемого в помещения произ- водства полупроводников и приборов, фото-киномате- риалов, антибиотиков и т. п.). Одним из наиболее совершенных способов выделения из газов взвешенных твердых и жидких частиц является филь- трация аэродисперсных систем через пористые перегородки. Этот способ характеризуется следующими особенно- стями: 1) более высокой степенью очистки газов от взвешен- ных частиц, чем в газоочистных аппаратах других типов; фильтры, например, способны обеспечить практически полное улавливание частиц всех размеров, включая субми- кронные; часто такие фильтры называют «абсолютными»; 2) универсальностью (способностью улавливать твер- дые частицы в сухом виде и жидкие частицы из туманов); 5
3) возможностью улавливания частиц при любом давлении газов (атмосферном, а также выше и ниже атмосферного); 4) хорошей степенью очистки при малых концентрациях взве- шенных частиц в очищаемых газах (доли миллиграммов на 1 ж3 очищаемых газов); 5) возможностью очистки газов, нагретых до высокой темпера- туры (в зависимости от материала фильтра); 6) использованием химически стойких материалов; 7) возможностью полной автоматизации процесса очистки газов; 8) стабильностью процесса очистки и меньшей зависимостью от изменения физико-химических свойств улавливаемых частиц и расхода газов, чем, например, при электроочистке; 9) простотой эксплуатации. Возможности использования газоочистных аппаратов филь- трующего типа значительно расширяются в связи с применением новых пористых фильтров из синтетических, стеклянных и метал- лических волокон, пористых пластических масс, пористой металло- керамики, шлаковаты и других материалов. К недостаткам пористых фильтров следует отнести: необходи- мость периодической замены некоторых фильтрующих перегоро- док (рукавов, матов, насадок и т. д.); сравнительно высокий рас- ход энергии при применении отдельных видов пористых фильтров; громоздкость установок с фильтрами (особенно при большом объемном расходе очищаемых газов); относительная сложность эксплуатации при ул авливании аэрозолей, содержащих ядовитые, радиоактивные, воспламеняющиеся и другие вредные вещества. Перечисленные недостатки не умаляют значительных до- стоинств газоочистных аппаратов фильтрующего типа. В предлагаемой книге сделана попытка обобщить основные тео- ретические и практические сведения о пористых фильтрах, при- меняемых для очистки промышленных газов в различных отраслях промышленности; в ней также рассмотрены тенденции дальней- шего развития способов очистки газов от твердых и жидких взве- шенных частиц методом фильтрации. Авторы надеются, что приведенные в книге сведения будут способствовать повышению эффективности использования уста- новок с пористыми фильтрами. Книга полезна работникам проектно-конструкторских и мон- тажных организаций, а также студентам высших учебных заведе- ний, специализирующимся в области использования и перера- ботки промышленных газов и вентиляционного воздуха. Введение, главы III и VII написаны В. Н. Ужовым; главы I, II и VI — Б. И. Мягковым; глава IV — совместно Б. И. Мягковым (стр. 157—208) и В. Н. Ужовым (стр. 208—231); глава V — сов- местно В. Н. Ужовым (стр. 234—252 и 259—261) и Г. М. Гордо- ном (стр, 252—-259). 6
ВВЕДЕНИЕ Промышленные газы и воздух, содержащие взвешен- ные твердые или жидкие частицы, относятся к аэродис- персным системам или аэрозолям. В этих системах дис- персионной средой является смесь нескольких газов, а дисперсной фазой — взвешенные частицы, часто нахо- дящиеся в разном агрегатном состоянии и имеющие слож- ный химический состав. Обычно аэрозоли представляют собой полидисперсные системы; только в специально полу- чаемых аэрозолях дисперсная фаза состоит из частиц оди- накового размера (монодисперсные аэрозоли). Чаще всего размеры частиц дисперсной фазы выражают в микрометрах (микронах) и только когда дисперсный со- став определяют методами воздушной сепарации, частицы классифицируют по скорости витания. Скорость витания vs частиц размером больше 1 • 1СГ6 м при нормальном атмо- сферном давлении, температуре 20° С (вязкость воздуха 1,816 -10~Б н-секЫ2) определяется по следующей упрощенной формуле (в м!сек)'. Vs — 1,2-108рчг2 (1) где рч — плотность частицы, кг!м3-, г — радиус частицы, м. Зная скорость витания, седиментационный диаметр сферических частиц можно определить по номограмме. Дисперсный состав аэрозолей, представляющий собой содержание частиц различных фракций, может выра- жаться в весовых соотношениях или числом частиц в еди- нице объема. Фракцией называют долю частиц, размеры кото- рых находятся в определенном интервале значений, при- нятых в качестве нижнего и верхнего пределов. Частицу произвольной формы условно считают шарообразной, а раз- мер ее определяют по эквивалентному диаметру. Напри- мер, пыль, содержащую частицы размером до 50 мкм, можно разделить на несколько фракций: Номер фракции 1 2 3 4 5 6 7 Размер частиц, мкм. . . >0—5; >5—10; >10 — 15; > 15—20; >20—30; >30 — 40; >40—50 7
Фракционный состав аэрозолей может быть представлен не- сколькими способами. Для графического изображения наиболее употребительны интегральные и дифференциальные кривые рас- пределения1’ 2-3. В последнееjepeMH распределение частиц по размерам изобра- жают в вероятностно-логарифмической системе координат в виде прямой линии. На рис. 1 показан пример изображения дисперсного состава рудничной пыли 2, подчиняющегося логарифмически-нормалыюму Рис. 1. Дисперсный состав рудничной пыли (график в вероятностно-логарифми- ческой системе координат). нии. измельчении, взрыве или дых тел образуются пыли с и более. закону2’4; именно такое рас- пределение частиц по разме- рам характерно для боль- шинства промышленных и искусственно получаемых аэрозолей. По графику легко определить медианный весо- вой радиус частиц гк. Е, соот- ветствующий 50% частиц. Этим характерным размером мы часто будем пользоваться в последующих главах книги для оценки средней диспер- сности аэрозолей. В зависимости от спо- соба образования взвешен- ные в газах частицы могут иметь различные размеры и ‘свойства. Так, при дробле- механической обработке твер- размером частиц 5—50 мкм В результате сублимации, горения, конденсации и химиче- ских реакций в газовой фазе образуются возгоны с размерами частиц меньше 5 мкм. Примерами возгонов могут служить печные газы на заводах цветной металлургии при восстановительной плавке. Выделяю- щиеся из шихты пары металлов при взаимодействии с кислородом воздуха образуют окислы и другие нелетучие при данной темпера- туре продукты, уносимые газом. Кроме возгонов при таких про- цессах могут образовываться дым ы, которые отличаются от возгонов меньшим размером частиц и большей оптической плот- ностью. Если взвешенные частицы представляют собой жидкость, образовавшуюся при конденсации паров или при распылении жидкости в газовой среде, то такие аэрозоли называются тума- нами. Примером туманов могут служить отходящие газы серно- кислотных заводов, содержащие капли серной кислоты различных размеров. 8
При выборе способов и оборудования для очистки газов, кроме размеров частиц, зависящих от условий образования, учитываются также их электрические и химические свойства, а также склон- ность к воспламенению и взрыву. Размеры частиц некоторых аэрозолей приведены на рис. 2. Знак заряда частиц зависит от способа их образования, хими- ческого состава, а также свойств веществ, с которыми они сопри- касаются. Величина и знак электрического заряда взвешенных частиц влияют на их поведение в газовой среде. В случае биполярной зарядки взаимное притяжение противоположно заряженных час- тиц способствует их агрегации; униполярная зарядка вызывает взаимное отталкивание частиц, способствует увеличению ско- рости миграции к окружающим их стенкам и осаждению на них. Значительное накопление электрических зарядов в слое пыли, уловленной на фильтрующей перегородке, являющейся плохим проводником электричества, может вызвать электрический пробой и воспламенение фильтров или горючих пылей. Так как частицы большинства аэрозолей имеют большую удельную поверхность (порядка 1 • 104 см^1г), то они достаточно реакционноспособны; при этом аэрозоли с частицами горючих веществ могут воспламеняться или взрываться. При повышении температуры воспламенение иногда происходит самопроизвольно, при этом интенсивность и продолжительность горения могут быть различными. Плотные массы пылей горят более медленно, а рыхлые, особенно мелкая пыль, обычно быстро возго- раются во всем объеме. Способностью к воспламенению или взрыву обладают и неко- торые пыли органических веществ, образующиеся при переработке зерна, красителей, пластмасс, волокон, а также пыли металлов, например Mg, Al и Zn. Воспламеняемость и величина минималь- ной взрывной концентрации пылей зависят от размеров частиц и содержания кислорода в дисперсионной среде. Большое значение в процессах очистки газов имеет химический состав аэрозольных частиц. Тонкодисперсные частицы аэрозолей по химическому составу довольно однородны. Возгонные аэрозоли обычно обогащены более летучими компонентами, поэтому пыли некоторых металлургических производств и золу часто исполь- зуют для получения редких и рассеянных металлов (индий, гер- маний, селен, теллур и др.), более летучих и концентрирующихся в высокодисперсных фракциях. Гигроскопичность, смачиваемость и растворимость частиц определяются их химическим составом, а также размером, формой и степенью шероховатости поверхности частиц. Мелкие частицы смачиваются значительно хуже, чем крупные, независимо от их химического состава5-6. 9
I I H I 'капли биждя' Литейный. песок - Пылевидный ча, гнный уголь _ - | | 11| | Кукурузный крахмал Пыль срлотационнь -х ВыбросоВ iiiITiii 1 i.iiiir Петучая зола при сжигании угля------ iBi топках с цепной решеткой------- Морось Пыль от Вагранок с 'дутьем Цементная пьщь | 1 ' | | ' Летучая зола Пыльца растений. Ликоподий L | I | I 11 С 77 О 1р Ы Летучая зола при сжигании Природный тиман и к 1 11 111Г Колошник Рая пь’лы I конденсационный тумсн H2SO4 I II I I I 1 I I н Щелочные туманы w । ;нн|| Силикозоопасныв пь/ли~А----и- сажа Смоляной туман “ 11 пылеВиднь .о цгля I —±-+ni । 11 ин I ------Пыль В игольных шахтах т-Ц |11| I | I I IIIH Агрегированная цинковая пыль -----h--4=j I I инл I I II I I I. —-------- Молочный порошок —Г-Х1к"_ и ИНН II II ----- । 1 1 1 1 ।-Воэл г 1Ы окиси цинка --------+-!_Пыль красителей^ | | | | | ____ ^Металлургические пыли - --ВД1 N111 II i^twi । ---1— Возгоны железо, тиыон контактной H2SO4 ' • । 111 । । 1 1 1 .111 । 1 1 1 ---—I—Т- Дзрогали ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ п :ши и । iiii'i । । -----Дымы аммонийных сояеи^ I | I | | 111 Конверторные возгоны Масляный^ туман | | | | | 1111 | | Сажи из спецмасел Сублимационные Возгоны — Возгоны от мартеновских печей " Дым 'окиср мал '//V |*| ] | | | Возгоны окисей цинка и свинца । | | I III пк 1 1 । 1 1 1111 । । 1 । Обь. тая атмосферная пыль Табачный дым Ви р'у £’7/11 0,01 0,1 1 100 1000 2г, м н 2 3 5 Ю е г з 5 10 5г з 5 вНгз зЮ'гЩ гззЮ г з if г з s us, м/сек eg* з г 10~,3в s ь з П,нг/сек | \/1ыГ1еоса1очные камепьр Волыийе цикло/ -• >-ж ~~ 21 5 3 10е5 3 2 10~Я5 3 2 10~'°6 3Ь 3 * 'I' l‘l‘l‘l 111' " I" 'I "Il 2 ПГГ 6 5 ь з 2 10~,2е Циклоны <1> 1-2м __I I I I I I Г I I I I I I 111 I Циклоны малого диаметра, Скрубберы Тканевые фильтры ~~ ~т , m г,, ~i .............. волокнистые мат риа^ы ' ' )' I ГГ) iTi I ! I I I I I I I' Скоростные промыватели Е нтури Тонковолокнистые бумажные фильтры I Mill 1'11111 1Л—г~г Электре еские фильтры Рис. 2. Размеры некоторых аэрозольных частиц — стационарная скорость оседания; D — коэффициент диффузии частиц) и аппараты для их улав- ливания.
Эти свойства частиц злияют на слипаемостъ пылей и адгезию пылевых слоев к поверхности элементов фильтрующей перегородки. Таким образом, при выборе фильтрующих материалов и кон- струкций фильтров необходимо хорошо знать процесс образова- ния аэрозолей и их основные свойства. При проведении технологи- ческих процессов необходимо стремиться снизить до минимума образование в обходящих газах тонкодисперсных, обычно трудно- улавливаемых частиц. Фильтрация аэрозолей. Процесс разделения аэродиспсрсгых систем при их движении через пористые среды называется филь- трацией; при фильтрации взвешенные сухие или жидкие частицы задерживаются пористыми пе- регородками (волокнами, зер- нами), а газы полностью прохо- дят через них. Поток аэрсзоля в объеме фильтрующего материала мно- гократно дробится на мелкие струйки, которые непрерывно смыкаются, обтекая эти элемен- ты, что способствует приближе- нию частиц к поверхности эле- Рис. 3. Принципиальная схема пори- стого фильтра для очистки газов: 1 — входной газопровод; 2 — пористая фильтрующая перегородка: ? — выходной газопровод. ментов и их осаждению. Процесс фильтрации характеризуется взаимодействием взве- шехтных частиц и дисперсионной среды с элементами пористой перегородки. Простейший фильтр (рис. 3) представляет собой корпус, разде- ленный пористой перегородкой 2 на две части, в одну из которых поступают очищаемые газы. В разделенных частях фильтра соз- дается разность давлений, достаточная для прохождения необхо- димого количества газов. Скорость процесса фильтрации опреде- ляется перепадом давления, создаваемого газоотсасывающимк или газонагнетательными машинами (вентиляторами, газодувками, эжекторами, компрессорами и др.). Пористые перегородки могут быть плоские, цилиндрические, складчатые или другой формы. Во многих фильтрах уловленные сухие частицы накапливаются в порах или образуют пылевой слой на поверхности перегородки и таким образом становятся для вновь поступающих частиц частью фильтрующей среды. Однако по мере накопления частиц размер пор и общая пористость перегородки неизбежно умень- шаются, а сопротивление движению газов возрастает; поэтому в определенный момент возникает необходимость разрушения и удаления пылевого осадка (для снижения перепада давления и сохранения начальной скорости фильтрации). Иногда требуется замена забитого пылью фильтра или переснаряжение его новыми фильтрующими материалами. Таким образом, процесс фильтрации в большинстве случаев предусматривает периодическую регенера-
цию фильтров. При улавливании жидких частиц накапливаю- щаяся жидкость может удаляться из пористой перегородки са- мопроизвольно, поэтому такой фильтр подвергается саморегеие- рации. В связи с многообразием требований, предъявляемых в реаль- ных условиях эксплуатации к очистке различных аэрозолей, при- меняется много конструкций фильтрующих аппаратов с пористыми перегородками, которые условно могут быть разделены на следую- щие типы: Гибкие пористые перегородки. К ним отно- сятся: а) тканые материалы из природных, синтетических и мине- ральных волокон; б) нетканые волокнистые материалы (войлоки, клееные и игло- пробивные материалы, бумага, картон, волокнистые маты); в) ячеистые листы (губчатая резина, пенополиуретан, мембран- ные фильтры). Полужесткие пористые перегородки. К ним относятся: слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними. Жесткие пористые перегородки. К ним относятся: а) зернистые материалы (пористая керамика и пластмасса, спе- ченные или спрессованные порошки металлов, стекла, углегра- фитовых материалов и др.); б) волокнистые материалы (отформованные слои из стеклян- ных и металлических волокон); в) металлические сетки и перфорированные листы. Зернистые слои. К ним относятся: а) неподвижные, свободно насыпанные материалы; б) периодически или непрерывно перемещающиеся мате- риалы; в) псевдоожиженные гранулы или порошки. При выборе пористой перегородки учитывается химический состав, температура, давление и влажность газового потока, а также размеры, концентрация и физико-химические свойства улавливаемых частиц, требуемая величина остаточной запылен- ности и стоимость очистки. Одновременно оценивается возможность регенерации продуктов, удобство и целесообразность их исполь- зования в основном технологическом процессе и ряд других фак- торов. В зависимости от вида используемых пористых перегородок различают два основных типа фильтрующих аппаратов. В одном из них сама пористая перегородка служит для улавливания взве- шенных частиц, а в другом — она служит в основном подложкой для образования и удержания осадка из уловленных частиц, яв- ляющегося более эффективной фильтрующей средой. Часто без 12
такого слоя пористую перегородку использовать нецелесооб- разно. Современные фильтры в зависимости от назначения и величин входной и выходной концентраций улавливаемой дисперсной фазы условно разделяют на три класса. Фильтры тонкой очистки (высокоэффективные, «абсо- лютные» фильтры) — предназначены для улавливания с очень вы- сокой эффективностью (обычно выше 99%) в основном субмикрон- пых частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (менее 1 мг/м3) и малой скорости фильтрации (менее 10 см) сек). Такие фильтры применяются для очистки особенно опасных аэрозолей, а также для ультратонкой очистки воздуха при проведении различных технологических процессов или в особо чистых помещениях, в которых воздух служит рабочей средой; обычно эти фильтры не подвергают регенерации. Фильтры для очистки атмосферного воз- духа (воздушные фильтры) — используются в системах приточ- ной вентиляции и кондиционирования воздуха. Они рассчитаны на работу при концентрации пыли менее 50 мг!м3, часто при высо- кой скорости фильтрации (до 2,5—3 м!сек). Фильтры этого класса бывают нерегенерируемые, а также периодически или непрерывно регенерируемые. Промышленные тканевые, зернистые, грубоволокнистые и другие фильтры — применяются для очистки промышленных газов с высокой концен- трацией дисперсной фазы (до 60 г/л3). Для периодического или непрерывного удаления накапливающейся в фильтрующей пере- городке пыли фильтры этого класса имеют устройства для реге- нерации, позволяющие поддерживать производительность на за- данном уровне и возвращать ценные продукты в производство; фильтры этого класса нередко являются составной частью техно- логического оборудования. Характеристика фильтров. Работу фильтров характеризуют следующие показатели: эффективность очистки, пористость филь- тра, скорость фильтрации, пылеемкость, гидравлическое сопро- тивление, а также технико-экономические данные — расход энергии и материалов, стоимость установки, стоимость очи- стки. Эффективность очистки. Эффективность очистки газов (степень очистки, коэффициент полезного действия) обычно выражается в виде отношения количества уловленного материала к количеству материала, поступившего в фильтр с газовым пото- ком за определенный период времени. Количество поступающего материала определяют различными способами: весовым, счетным, по радиоактивности и т. д. При использовании весового метода эффективность очистки газов рас- считывают следующим образом. 13
1. По содержанию пыли в газах до поступления в фильтр и на выходе из него: G1 G? 1'1?! V2Z2 1 E2Z2 (п\ 11 ~ Gt “ Va “ VJZ1 W где t] — степень очистки газов, доли; Gi, G2 — массовый расход частиц пыли (тумана), содержа- щихся в газах, соответственно поступающих и вы- ходящих из фильтра, кг/сек:, У1г Vz — объемный расход газов, соответственно поступаю- щих и выходящих из фильтра, мъ1сек (н. у.) *; zx, z2 — концентрация частиц в газах, соответственно по- ступающих и выходящих из фильтра, кг!м\ Если объемный расход газов, проходящих через фильтр, изме- няется за счет подсоса воздуха \ то эффективность фильтра опре- деляют в соответствии с объемным расходом воздуха при подсосе, исходя из концентрации какого-либо газового компонента (не вступающего в фильтре в реакции), обычно SO2 или СО2: т) = 1-Кп-||- (3) где Кп — коэффициент подсоса, равный отношению концентраций анализируемого газового компонента (в объемн. %) в газах после и до фильтра. 2. По концентрации пыли в газах до поступления в фильтр и количеству уловленной пыли в единицу времени: где G3 — массовый расход уловленной пыли, кг!сек. 3. По количеству уловленной фильтром пыли и концентрации пыли в газах, выходящих из фильтра: G3 1 G3 + Е2г2 (5) Коэффициент очистки часто определяют по фракционной эф- фективности — степени очистки газов от частиц определенного размера. Фракционная эффективность очистки т)ф (в долях) выражается формулой 1 ъ- (6) где Фв, Фк — содержание данной фракции в газах соответственно начальное на входе в фильтр и конечное на выходе из фильтра, %. * Н. у. — нормальные физические условия (температура 0° С, давление 101 325 я/ма). 14
Зная фракционную степень очистки газов, можно определить общую степень очистки (в долях) по формуле ^^Л. + 2?.ф^+...+ (7) 1 100 ’100 100 ' ' Кривые фракционных эффективностей определяют экспери- ментально, применяя монодисперсные аэрозоли или по дисперс- ному составу аэрозоля до и после аппарата7-9. Суммарную степень очистки газов q (в долях единицы) в не- скольких фильтрах, установленных последовательно, рассчиты- вают по формуле Т) = 1 — (1 — П1) (1 — И2) ... (1 —Т)п) (8) где т] х, т] 2, "+ — степень очистки газов, соответственно в первом, втором, n-м фильтре. 4. По коэффициенту проскока частиц, который представляет собой отношение концентрации частиц аэрозоля за фильтром к их концентрации перед фильтром. Коэффициент проскока К (в %) можно рассчитать по формуле /С = (1—т])100 (9) При q = 0,99999 К = 0,001%. В ряде случаев при оценке качества фильтрации газов поль- зуются коэффициентом очистки, показывающим степень снижения концентрации частиц аэрозоля в фильтре: к 100 _ 1 ^04=-^--!^ (10) В приведенном выше примере Коч = 105. При использовании счетного метода эффективность очистки рассчитывают по приведенным формулам (величины G выражают в частицах! сек, az — в частицах! Значения эффективности, полученные при весовом и счетном способах выражения количества материала, отличаются друг от друга. В качестве примера рассмотрим объемный расход аэро- золя, содержащего 100 частиц диаметром 1 мкм и 100 частиц диа- метром 100 мкм. При эффективности осаждения первых частиц 90% и вторых 99% общая эффективность улавливания, рассчитан- ная по счетному способу, составит: 11 100+ 100 200 94 5 Однако при условии, что масса частицы размером 1 мкм равна единице, а масса частицы размером 100 мкм равна 10® единиц эффективность улавливания, рассчитанная по весовому методу, составит: 90+ 99-10е Т| ~ 100+ 100 10е " 15
Поэтому при определении эффективности фильтра следует пользо- ваться данными о фракционной эффективности либо данными испытаний стандартной пыли с определенным распределением частиц по размерам. Пористость фильтра. Под пористостью фильтра по- нимают отношение объема воздушного пространства между твер- дыми непроницаемыми элементами пористой среды (объема пор) к общему объему, занятому пористой средой, и выражают в долях единицы или в процентах. Пористость может быть вычислена по формуле Рэ Рф 8 = —— = 1-а (11) где рэ — плотность материала элементов фильтрующей среды, кг!м8-, Рф — кажущаяся плотность фильтрующей среды, кг!м3-, РФ а = —---плотность упаковки или относительная плотность фильтрующей среды, численно равная объему волокон в единице объема среды. Скорость фильтрации. Под скоростью фильтрации понимают нагрузку по газу — отношение объемного расхода газов, проходящих через фильтр, к площади фильтрующей поверхности, выражаемое в м81(м2 • мин) или м3/(л2-ч). Пылеемкость ф и л ьт р.а. Под пылеемкостью фильтра понимают количество пыли (в г или кг), которое фильтр удержи- вает за период непрерывной работы между двумя очередными опе- рациями регенерации фильтрующего слоя или до достижения опре- деленной величины сопротивления фильтра. Пылеемкость фильтров зависит от разных факторов: в самоочи- щающихся масляных фильтрах — от полезной емкости масляной ванны; в фильтрах с большими проходными отверстиями — от размеров поверхности элементов в фильтрующей среде и качества вязкого покрытия; в кассетных фильтрах, тканевых фильтрах, фильтрах с зернистым слоем, фильтрах из пористой керамики и металлокерамики и других — от гидравлического сопроти- вления. Пылеемкость одного и того же фильтра при улавливании мел- ких частиц всегда меньше, чем при улавливании более крупных, поэтому пылеемкость следует относить к пыли определенной ди- сперсности. Гидравлическое сопротивление филь- тра. Гидравлическое сопротивление Др определяется разностью давлений на входе в фильтр и на выходе из него и имеет размер- ность н/ж2. 16
Ра сход энергии и материалов. Работу филь- трующей установки характеризуют также затраты электроэнергии (на преодоление гидравлического сопротивления фильтра, при- ведение в действие механизмов встряхивания, затворов и т. д.), а также сжатого воздуха (на регенерацию фильтрующей среды), воды, масла (на смачивание, промывку и смазывание фильтрую- щей поверхности). Стоимость установки фильтров. Затраты на установку фильтров определяются по сметам проектных орга- низаций; обычно их относят к капитальным вложениям на очистку 1000 м3 газов в час, которые включают стоимость соб- ственно фильтра, аппаратов для подготовки газов, газопроводов, постаментов, зданий, шатров (в ряде случаев систем транспорта уловленного продукта и тягодутьевых устройств), а также стои- мость контрольно-измерительных приборов и средств автоматики и затраты на монтажные работы. Стоимость очистки газов. Этот показатель (из расчета очистки 1000 м3/ч газов) слагается из затрат на зарплату, электроэнергию, пар, воду, масло, сжатый воздух и материалы, а также на текущий ремонт, амортизацию оборудования и зданий. Приводимые в книге технико-экономические показатели работы установок с пористыми фильтрами приняты из проектных мате- риалов и данных эксплуатации и обследований. При наличии дан- ных нескольких испытаний и проектов выведены средние пока- затели. ЛИТЕРАТУРА [.Гордой Г. М., Пейсахов И. Л., Контроль пылеулавливающих уста- новок, Металлургиздат, 1961. 2. Н ед ин В. В., Н е й к о в О. Д., Современные методы исследования пыли, Изд. «Недра», 1967. 3. С п у р н ы й К-, Йех Ч., Седлачек Б., Шторх О., Аэрозоли, пер. с чешек., Атомиздат, 1964. 4. Хальд А., Математическая статистика с техническими приложениями, Издатинлит, 1956. 5. W h i t Ь у К. Т., Dust, in «Encyclopedia of Chemical Technology», 7, p. 429. 6. О c h s H. I., Wasser, Luft u. Betrieb, 11, 71 (1967). 7. P а д у ш к e в и ч Л. В., ЖФХ, 35, 1870 (1961). 8. К о г а н Я. И., Бурнашова 3. А., ЖФХ, 34, 2630 (1960). 9. W h i t b у К. T., L u n d g r e n D. A., Peterson С. M., Intern. J. Air Water Poll., 9, 263 (1965). 2 В. H. Ужов 17
ГЛАВА I ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФИЛЬТРАЦИИ АЭРОЗОЛЕЙ МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ К числу особенно важных характеристик аэрозольных фильтров относятся: эффективность улавливания частиц, гидравлическое сопротивление и продолжительность ра- боты до замены или регенерации. Теоретические и экспериментальные исследования про- цесса фильтрации направлены на установление зависи- мости этих показателей от структурных особенностей фильтрующих перегородок, свойств улавливаемых частиц и режима течения газа. Определение таких закономер- ностей составляет основную проблему теории фильтра- ции1-10. Обычно процесс фильтрации разделяется на две стадии. В начальной стадии происходит осаждение частиц в чи- стом фильтре, причем допускается, что структурные из- менения в слое, вызываемый накоплением осажденных частиц или другими причинами, слишком малы, чтобы учитывать их влияние. На этой стадии, называемой стационарной фильтрацией, эффектив- ность улавливания и гидравлическое сопротивление не изменяются во времени и величины их определяются только структурой фильтрующей перегородки, свойствами улавливаемых частиц и параметрами газового потока. Стадия стационарной фильтрации практически важна для фильтров, работающих при очень низких концентрациях аэрозолей. Вторую стадию фильтрации называют нестацио- нарной: она характеризуется структурными и другими изменениями в фильтрующей среде. В результате накопле- ния частиц, воздействия влаги и агрессивных газов и дру- гих явлений эффективность улавливания и гидравличе- ское сопротивление изменяются в процессе фильтрации. Явления, вызывающие изменения эффективности ц и со- противления Ар во времени, независимо от их природы, называют вторичными процессами5’11. 18
Рис. 1.1. Типичное расположение во- локон в стекловолокнистом фильтре с осажденными частицами. Вследствие сложности и многообразия вторичных процессов эта стадия изучена гораздо меньше, хотя в условиях эксплуата- ции многих промышленных фильтров она имеет определяющее практическое значение вследствие кратковременности первой стадии. Наиболее полно теория фильтрации разработана примени- тельно к волокнистым фильтрующим материалам с более или менее упорядоченным расположением волокон. Процессы, проис- ходящие в реальных фильтрующих перегородках, значительно сложнее, чем обычно предполагается в теоретических моделях. Процессы фильтрации во мно- гих материалах, например в тканях, изготовленных из нитей, скрученных из волокон, или в двухкомпонентных целлюлозно- асбестовых картонах, состоя- щих из весьма неоднородных волокон, пока не поддаются ма- тематической обработке; рас- сматриваемые ниже теоретиче- ские закономерности осажде- ния частиц к таким фильтрую- щим перегородкам можно при- менить пока лишь качественно. В большинстве волокнистых фильтров волокна расположены в основном перпендикулярно потоку газов и расстояния между ними обычно в 5 — 10 и более раз превышают размеры улавливаемых частиц. На рис. 1.1 пока- зано типичное расположение волокон в фильтре с осажденными частицами. Чистый волокнистый фильтр нельзя отождествлять с ситом, только отсеивающим частицы размером больше размера пор, — аэрозольные частицы, прежде чем они оседают на волокнах, обычно проходят сравнительно глубоко внутрь волокнистого слоя. Если бы улавливание частиц происходило по такому же механизму, как просеивание, то размеры промежутков между волокнами должны были приближаться к размерам частиц и сопро- тивление фильтров очень резко возрастало бы вследствие закупо- ривания пор частицами, а внутри фильтров можно было бы обна- ружить только те частицы, у которых размеры меньше промежут- ков между волокнами. На практике это не подтверждается. Более того, оказалось, что наиболее проникающими являются частицы размером 0,1—0,5 мкм, а частицы крупнее и мельче осаждаются значительно лучше. Следовательно, в волокнистых фильтрах частицы улавливаются в результате действия других, более слож- ных факторов. 2* 19
В потоке аэрозоля между волокнами частицы следуют по ли- ниям тока, огибающим волокна — препятствия, подвергаясь дей- ствию силы инерции и броуновской диффузии, что служит причи- ной смещения их с линий тока и может привести к осаждению на волокнах. Частицы, движущиеся в непосредственной близости от поверхности препятствия, могут просто зацепиться из-за своих геометрических размеров. Кроме того, возможно действие на частицы внешних сил — гравитационной и электрической. Частицы, коснувшиеся поверхности волокон, прочно удержи- ваются на них за счет сил адгезии. Ниже рассматриваются возможные механизмы оса- ждения частиц на волок- нах (рис. 1.2): 1) Эффект каса- ния (зацепления) —воз- никает всякий раз, когда линии тока газов, с кото- рыми движутся частицы, Рис. 1.2. Линии тока, обтекающие цилиндр и траектории частиц, достигающих его по- верхности: I — частица, осажденная за счет эффекта касания; 2 — частица, осажденная за счет инерции; 3—час- тица, осажденная за счет электрических сил. проходят над поверхно- стью препятствия на рас- стоянии, равном радиусу частицы или ближе (рис.1.2, позиция /). Если размер частиц больше размера пор, происходит отсеивание. Ситовой эффект являет- ся частным случаем эффекта касания. 2) Инерционное столкновение — происходит тогда, когда масса частицы или скорость ее движения настолько значительны, что она не может следовать полностью вместе с газом по линии тока, которая резко искривляется, огибая при этом пре- пятствие; частица, стремясь по инерции продолжить свое движе- ние по более прямолинейной траектории, сходит с линии тока (рис. 1.2, позиция 2). 3) Броуновское, или тепловое, движе- ние высокодисперсных частиц — результат столкновения газовых молекул с поверхностью частиц. Это дви- жение накладывается на движение частиц в фильтре по линиям тока. Чем меньше размеры частиц, тем интенсивнее они смещаются с линий тока и больше вероятность их осаждения на поверхности обтекаемых тел. Этот механизм осаждения подобен массообмену за счет молекулярной диффузии. 4) Гравитационное осаждение частиц на поверхность фильтрующих элементов — происходит в результате вертикального смещения частиц с линий тока под действием силы тяжести во время прохождения их через фильтр. 20
S) Электрическое осаждение — происходит ё результате взаимодействия зарядов на волокнах или частицах или одновременно на тех и других. Осаждение частиц может происходить одновременно по не- скольким механизмам; для частиц определенного размера воз- можно преобладание одного механизма или двух механизмов. Роль каждого механизма определяется размером .волокон и пори- стостью слоя, размером и плотностью взвешенных частиц, ско- ростью газового потока, свойствами газа и действием электриче- ских сил. Таким образом, улавливание частиц из потока аэрозоля в филь- трующих перегородках (волокнах или зернах различных форм и размеров) определяется взаимодействием взвешенных в газе частиц с отдельными элементами фильтра. Большинство фильтрующих перегородок состоит из волокон, нитей, проволок или зерен. Поэтому в теории фильтрации за идеальные модели фильтрующих элементов принимают цилиндры, моделирующие волокнистые элементы, или сферы, моделирующие зернистые элементы. Так как зернистые фильтры применяются значительно реже, то ниже в основном будет рассмотрен процесс осаждения на ци- линдре. В практике наиболее широко используют развитый Ленгмю- ром12 метод изолированного цилиндра, заключающийся в том, что фильтр рассматривается как однородная система, состоящая из отдельных волокон, расположенных перпендикулярно потоку, достаточно далеко друг от друга. Сначала рассматривают гидроди- намику обтекания изолированного цилиндра и, решая уравнения движения частиц по линиям тока, рассчитывают эффективность осаждения частиц на нем под влиянием различных механизмов. Для использования полученных закономерностей при работе с волокнистыми фильтрами, у которых поле скоростей вокруг волокон отличается от поля скоростей вокруг цилиндра вследствие взаимного влияния соседних волокон, вводят эмпирические по- правки, учитывающие «эффективный» размер волокон, определяе- мый из экспериментальных значений сопротивления фильтров. Так как математическое описание микростроения фильтрую- щих материалов довольно сложно, а упрощенные модели не всегда позволяют получить необходимые сведения, большое значение приобретают теории, опирающиеся на достаточно надежные экспе- риментальные данные. В последние годы в теории фильтрации широко используют методы подобия, позволяющие получить зависимости примени- тельно к промышленным материалам. Согласно этой теории эффек- тивность осаждения частиц за счет каждого механизма осаждения их на цилиндре может быть количественно охарактеризована их безразмерным параметром. При этом эффективность каждого вида 21
осаждения оценивается величиной соответствующего параметра, а общая эффективность улавливания частиц в фильтре является функцией этих параметров: Ч = /(Д, St, R, G, К, Re) (1.1) где Д, St, Д, G, К. — безразмерные параметры осаждения час- тиц за счет эффектов диффузии, инерции, касания, седиментации, электрических сил; Re — число Рейнольдса. Эти параметры будут раскрыты ниже. Общий вид функции (1.1) часто определяется из эксперимен- тальных данных, обобщение которых в виде аналитических или графических зависимостей эффективности осаждения от безразмер- ных параметров служит основой для практических расчетов реаль- ных волокнистых фильтров. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАХВАТА ЧАСТИЦ ИЗОЛИРОВАННЫМ ЦИЛИНДРОМ Коэффициент захвата, или эффективность осаждения частиц изолированным цилинд- ром, определяется отношением площади сечения набегающего потока, из которого все частицы полностью улавливаются, к пло- щади проекции цилиндра в направлении потока (в долях единицы): •r\'=у!а (1.2) где у — расстояние от центральной линии тока до траекторий частиц в невозмущенном препятствием потоке газа, кото- рые в результате действия одного из механизмов осажде- ния коснутся поверхности .цилиндра (см. рис. 1.2); а — радиус цилиндра. Таким образом, для расчета коэффициента захвата частиц волокнами, а следовательно, и эффективности улавливания филь- тров необходимо иметь данные о поле скоростей вокруг одиночного цилиндра и в системе цилиндров. Поле скоростей вокруг цилиндра. Величина скорости течения газов в фильтрах может изменяться в широких пределах (от деся- тых долей см/сек до нескольких м/сек), а размеры волокон также разнообразны. Поэтому режим течения газов в фильтрах может быть ламинарным, турбулентным или переходным и определяется числом Рейнольдса: 2дир, Re =----— Н (1.3) где рг — плотность газа. При низких значениях Re поле скоростей вокруг изолирован- ного цилиндра зависит от вязкости газов ц. Уравнения движения газа Навье — Стокса для этого случая обтекания цилиндра ре- шены Лембом13 с частичным учетом квадратичных инерционных 22
членов. При Re < 1 распределение скоростей, устанавливающееся вблизи поверхности круглого цилиндра, центр поперечного сече- ния которого расположен в начале координат, определяется сле- дующими гидродинамическими уравнениями в полярных коорди- натах: и cos 0 /, а2 п. о \ UP~ 2 (2 — In Re) V р2 " а ) и sin 0 "0 = 2 (2—In Re) а2 р2 21п-^Л а ) (1-4) (1-5) + где цр, we -— соответственно радиальная и тангенциальная ско- рости; и — скорость потока, текущего в направлении 6 = л на бесконечно большом расстоянии от цилиндра; 0 — угол между радиусом-вектором и горизонтальной осью; р — расстояние от оси цилиндра до данной точки рас- сматриваемой линии тока. Двумерное поле скоростей вокруг цилиндра, входящего в си- стему параллельных редко расположенных цилиндров (плотность упаковки а < 0,1), для течения, перпендикулярного к их осям, определяется соотношением14’ 15: ¥ (р> 0) = ozJvVi111- ~-------— + ~ 1п -Ц (! 6) к ' 2(—0,5 In а—с) \ р а а а ) где W (р, 0) — функция тока, связанная с составляющими ско- рости формулами ир = и и0 = ; с — постоянная (по Хаппелю с = 0,5, по Кувабара с = 0,75); а — плотность упаковки цилиндров в фильтре. При высоких значениях Re (потенциальный или идеальный поток) инерционные силы потока газа превалируют над силами вязкости. Если пренебречь пограничным слоем, то потенциальный поток достаточно точно передает обтекание цилиндра на его фрон- тальной стороне, однако реальный поток на тыльной стороне цилиндра значительно нарушается вихрями, возникающими в за- стойной зоне и срывающими пограничный слой. Составляющие скоростей при потенциальном обтекании цилиндра определяются из выражений: (1.7) и = —и р а2 Р2 sin 0 (1.8) 23
На рис. 1.3 показаны линии тока и эпюры скоростей для потен- циального и вязкого течений газов при обтекании ими цилиндра. Из рис. 1.3 видно, что линии тока при высоких числах Re оги- бают цилиндр гораздо более резко, чем при низких. При вязком течении траектории частиц начинают смещаться в сторону от ци- линдра на больших расстояних от него, что уменьшает вероятность инерционного столкновения по сравнению с условиями течения при высоких скоростях16- 17. Захват частиц изолированным цилиндром за счет касания. Аэрозольные частицы, для которых можно пренебречь влиянием инерционных сил и броуновского движения, обтекают препятствия Рис. 1.3. Распределение линий тока газов вокруг цилиндра и эпюры скоростей: а — при потенциальном течении; б — при вязком течении. по траекториям, строго совпадающими линиями тока, и могут улав- ливаться только за счет геометрического эффекта — непосред- ственного касания или зацепления. Коэффициент захвата изолированным цилиндром за счет каса- ния Цд при вязком течении определяется отношением объемной скорости W аэрозоля, проходящего вблизи цилиндра и ограничен- ного при 6 = л/2 координатами р = а и рг = а |- г, и объемной скорости набегающего невозмущенного потока, который бы про- шел через сечение, равное половине площади продольного сече- ния цилиндра на этой же длине? где W = J «л/2<2р а Согласно уравнению (1.5) тангенциальная составляющая скорости при 0 = л/2 равна и (t । \ “е=л/2-2'2 —"nRe) \ р2 + а) 24
Тогда объемная с «эрость аэрозоля равна = 2(2-ЬВД Г2 (‘ +Т) (> + -Г) - (‘ + Т) + (1-Ю) Подставляя значения W, а, и в уравнение 1.9, получим уравне- ние для определения 1)^: ^-^-2(raS)[2‘l+s»,"a+«)-(i + R) + -i-hr] (-"> Отношение размеров частицы и улавливающего тела (цилин- дра) характеризует осаждение по механизму касания и является определяющим параметром этого эффекта: R = -^ (1-12) где г — радиус частицы. Для определения эффективности захвата при вязком обтекании изолированного цилиндра получены и другие уравнения18- 19: = (113> ЧЯ R2 Re0-0625 (1.14) Уравнение для определения эффективности захвата при потен- циальном обтекании изолированного цилиндра получается так же, как уравнение для вязкого обтекания, но значение ив подстав- ляется из уравнения 1.8: =0+*)—(1-15) По этому уравнению получаются значительно более высокие вели- чины т]'д, чем по уравнению (1.11). Для больших значений R, когда размер частиц больше размера волокна-препятств зя, достигает величины (1 -ф- R). Из приведенных уравнений следует, что коэффициент захвата частиц по механизму касания не зависит от скорости, но вид зави- симости коэффициента захвата от R изменяется для различных режимов течения. При эксплуатации фильтров эффект касания является опреде- ляющим в общей эффективности фильтра10 при определенных значениях а, и и г. Кроме того, эффект касания всегда учитывается при расчете осаждения частиц под влиянием других механизмов, Захват частиц изолированным цилиндром за счет броуновской диффузии. При нормальных условиях взвешенные в газе частицы 25
субмикронного размера за счет неуравновешенных ударов молекул газа совершают скачки, в результате которых возникает их хаотич- ное движение, которое достаточно интенсивно, чтобы происходило смещение траекторий частиц с линий тока и осаждение на поверх- ности обтекаемых препятствий. Чем мельче частицы и меньше скорость течения, тем резче выражен этот эффект. Средний квадрат абсолютного теплового смещения частицы X2 в данном направле- нии за время t определяется уравнением Эйнштейна20 Х2 = 2£И (1.16) где D — коэффициент диффузии частицы (л2/сек), определяемый из соотношения къТС 6л|ЛГ (117) где /гБ— константа Больцмана (&Б = 1,38-10-23 дж/град); Т — абсолютная температура; С — поправка Кенингема — Милликена, учитывающая по- вышение подвижности частиц, размер которых сравним или меньше средней длины свободного пробега газовых молекул Л,. Поправка С рассчитывается по уравнению С= 1 +-^-(1,257 + 0,4е-1Дг^) (1.18) где рг — плотность газа, кг/м3; М — масса 1 кмоль, кг; Rr — газовая постоянная, дж/(кмоль • град); г — радиус частиц, м; р — вязкость газа, н сек/м2; К = 6,5- 1СГ8 м (для воздуха при t = 20° С и нормальном атмосферном давлении). Ниже приведены значения21 поправок С на скольжение в соот- ветствии с уравнением (1.18): Диаметр частиц, 2г, мкм . . 0,003 0,01 0,03 0,1 0,3 1,0 3,0 10,0 Поправка на скольжение, С 90,0 24,5 7,9 2,9 1,57 1,16 1,03 1,00 Значения коэффициента диффузии D, рассчитанные для сфе- рических частиц22, приведены на рис. 1.4. Из рис. 1.4 видно, что с уменьшением размеров частиц D резко возрастает. Так, например, при обычных условиях для частиц с размерами 2г = 0,1 мкм диф- фузионное смещение составляет 37 мкм/сек, а для частиц с 2г = — 2 мкм — всего 7,4 мкм/сек. Скорости седиментационного осе- 26
дания и броуновского смещения частицы при плотности, равной 1 кг!мА и при 2г = 0,6 мкм, уравниваются. Таким образом, диффузионный эффект становится достаточно большим для частиц с размерами менее 0,1 мкм. Для частиц с раз- мерами от 0,3 до 1 мкм коэффициент диффузии достаточно мал; поскольку для них и инерционный эффект при обычной величине скорости фильтрации (и < 1 м!сек} также мал, такие частицы трудно улавливаются. Взвешенные высокодисперсные ча- стицы движутся хаотично, переме- щаясь свободно во всех направлениях; если в такой аэрозоль поместить пред- мет, например цилиндр, то частицы будут осаждаться на всей его поверх- ности, удаляясь из прилегающих слоев газа. Используя теорию случайных блужданий, Ленгмюр рассчитал тол- щину спокойного слоя аэрозоля х, из которого частицы полностью осаждают- ся вследствие диффузии за время t: Рис. 1.4. Зависимость коэф- фициента диффузии сфери- ческих частиц (в воздухе при 20° С и нормальном атмосферном давлении) от их размера. Скорость диффузии даже субмикрон- ных частиц чрезвычайно мала по сравне- нию со скоростью диффузии молекул газа, поскольку коэффициент диффу- зии D частиц на несколько порядков меньше. Экспериментально установлено, что при фильтрации частиц г ^0,1 мкм при небольших скоростях потока (до и 1 м!сек) инерционным осаждением частиц можно пренебречь. Если при этом влияние электростатических эффектов также невелико, то при расчетах волокнистых фильтров следует учитывать лишь диффузию частиц и в некоторых случаях (для волокон диаметром около микрона и меньше) эффект касания. Для расчета коэффициента захвата частиц изолированным цилиндром за счет броуновской диффузии Ленгмюр использовал уравнение (1.11) с допущением, что толщина слоя при 0 = л/2, из которого диффузией удаляются все частицы, равна х0: Чд ’ 2(2 —In Re) 2(1+ а)1п(1+ а) (1.21) 27
Для вычисления х0 допускается, что диффузионное осаждение происходит за время t, пока частица проходит по линии тока путь от 0 = л/6 до 0 = 5л/6. Это время определяется при исполь- зовании уравнений линий тока (1.5): t 1,112а2 (2 — In Re) их0 Толщина диффузионного слоя приближенно вычисляется по сле- дующему уравнению: Рис. 1.5. Зоны вблизи по- верхности цилиндра, из кото- рых по теории Ленгмюра происходит осаждение ча- стиц за счет диффузии. где хе — среднее квадратичное расстоя- ние частицы от поверхности цилиндра при движении ее от 0 = л/G до 0 = 5 л/6 (рис. 1.5). Подставляя значения t в уравне- ние (1.20), получаем: -^- = Г1,12 (2 ~ln Re) D 11/3 (1.22) a L аи J Для расчета т)д значение х^а подста- вляется в уравнение (1.21). Соотношение (1.21) справедливо только при малой толщине слоя х0 по сравнению с радиусом цилиндра и относится лишь к области малых коэффициентов захвата. Уравнение (1.21) может быть представлено в другом виде23: ' . ол Г 1 11/з / о V/3 Чд 1>36[ 2 (2 —InRe) ] \ аи ) Ре-2/3 (1.23) где Ре = —-----число Пекле. Величина, обратная Ре, назы- вается диффузионным параметром и обозна- чается Д. Из уравнения (1.23) следует, что эффективность осаждения на цилиндре за счет диффузии является функцией только диффу- зионного параметра Д = Ре”1 и числа Re. Число Пекле характеризует относительную роль конвекции и диффузии в подводе частицы к поверхности цилиндра из движу- щегося потока аэрозоля. Современные исследования диффузионного осаждения осно- ваны на теории концентрационного пограничного слоя и исполь- зовании методов теории подобия с более точным учетом гидродина- 28
мических факторов. Подвод взвешенных частиц к цилиндру в ре- зультате совместного действия броуновской диффузии и движения с потоком можно определить путем решения дифференциального уравнения стационарной конвективной диффузии 22-2в. Такое решение было выполнено Натансоном23 методом числен- ного интегрирования без учета осаждения касанием. Уравнение для эффективности захвата при вязком обтекании имеет вид Т)д = 2,92 (2 — In Re)”1/3 Pe“2/3 (1.24) При потенциальном обтекании эффективность захвата опреде- ляется по уравнению: 1)д = 3,19 Ре-1/2 (1.25) Подставляя значение Ре, уравнение (1.24) можно представить в упрощенном виде: / 4 (1-ж) где А — коэффициент. В соответствии с этим уравнением эффективность диффузион- ного осаждения обратно пропорциональна размерам частиц и во- локон, а также скорости фильтрации. Инерционное осаждение частиц на цилиндре. По мере при- ближения к поверхности цилиндра элементарные объемы потока отклоняются, огибая тело. Взвешенные в газе частицы не могут сразу приобрести скорость потока в местах изгиба линий тока, и частицы начинают самостоятельно перемещаться со скоростью, отличной от скорости газа. В то время как сила инерции стремится сохранить движение частицы прямолинейным, огибающий поток увлекает ее в сторону от цилиндра. Результирующая траектория зависит от момента инерции частицы в местах искривления линий тока и сопротивления потока ее перемещению; кроме того, внеш- ние силы также могут изменить направление движения частицы и сместить ее с линии тока. В общем случае движение частиц под действием всех сил описывается векторным уравнением m~=Fe-F (1.27) где т и v — масса и векторная скорость частицы; Fe — векторная сумма действующих на частицу внешних сил (гравитационной, электрической, хаотичных, вызывающих броуновское смещение); F — результирующая сила аэродинамического сопроти- вления, противодействующая движению частицы относительно газа. 29
При допущении, что скорость движения частицы по сравнению со скоростью газового потока незначительна и движение ее подчи- няется закону Стокса, а также учитывая поправку на скольже- ние С для частиц субмикронных размеров, силу F можно опреде- лить из уравнения: F = -^-(b —й) (1.28) где (о — и) — относительная векторная скорость частицы. Пренебрегая внешними силами и плотностью газа, можно выра- зить уравнение (1.27) в безразмерной форме: 2С?;^ ,_g_=st_^=_ (1.29) 9р,а dt dt где St — безразмерный параметр инерции. __ тис _ 2г2рчиС . ~ бщшг 9(ш ( ; Параметр инерционного осаждения St, часто называемый просто критерием Стокса или числом Стокса, характеризует отношение инерционной силы, действующей на частицу, к гидравлической силе сопротивления среды и численно равен отношению расстоя- ния, проходимого частицей с начальной скоростью v в спокойном воздухе до остановки, к характерному размеру обтекаемого ци- линдра (а). Для расчета предельных траекторий и коэффициента инерцион- ного захвата частиц, участвующих в криволинейном движении во время обтекания препятствия любой геометрической формы, требуется решение дифференциального уравнения (1.29), учиты- вающего только силу инерции. Значение уГ1Г1 для предельной траек- тории может быть найдено из уравнения (1.29), а эффективность улавливания выражена как функция числа St Однако решение этого уравнения представляет большие труд- ности из-за его нелинейности даже в тех случаях, когда поле скоростей вокруг обтекаемого цилиндра хорошо известно (при Re —» 0 и при Re - > со). Обычно прибегают к методам численного интегрирования с использованием вычислительных машин. В лите- ратуре опубликованы результаты расчета таких траекторий и опре- делений T]gt для цилиндров, сфер, пластинок и препятствий дру- гой геометрической формы12, 27—38. Показано, что для частиц конечного размера для каждого режима течения зависит только от параметра инерционного осаждения, числа Re и параметра осаждения касанием. 30
Для наглядного сравнения и практического использования в расчетах на рис. 1.6 и 1.7 приведены данные ряда авторов28’ 34 о зависимости эффективности инерционного осаждения от числа Стокса. Из приведенных кривых рис. 1.7 видно, что эффективность инерционного осаждения очень мала, если число Стокса не пре- вышает величины порядка 0,1. Однако каковы бы ни были режимы течения газа и геометрическая форма препят- ствий, эффективность инерционного осаждения возрастает вместе с увели- чением числа St, т. е. с увеличением скорости потока, размеров и плотно- сти частиц и уменьшением размера цилиндра. Из уравнения (1.29) следует, что при St - > 0 скорости частицы и по- тока выравниваются, т. е. частица начинает строго следовать за линия- ми тока. Следовательно, имеется не- которое минималг ное «критическое» значение числа Стокса (StKp), при ко- тором инерция частицы не мсжет преодолеть увлечение ее газовым по- током и она не достигает поверхности цилиндра или, точнее, проходит над поверхностью на расстоянии боль- шем, чем радиус частицы. При St < S*Kp чисто инерционный захват невозможен, т. е. ^st = 9. Для каж- дого поля скоростей существуем свое критическое значение числа St. Для конкретного фильтра и опре-“ деленных условий фильтрации кри- тическое значение числа Стокса со-* ответствует наличию минимального > л Рис. 1.6, Расчетные кривые за- висимостей эффективности инер- ционного осаждения частиц r]st от числа Стокса на изолирован- ных телах различной формы: 1 — на диске33; 2 — на пластин- ке^; 3 — на сфере3; 4 — на ци- линдре42’33; 5 —на цилиндре” й(при Re = 10); 6 — на сфере6; 7 — на'цилиндре86 (при Re = 0,2); кри- -пые 1—4 — об. :асть потенциаль- ного течения; кривые 5—7 — । область вязкого течения. размера частиц, которые не улавливаются за счет инерционного эффекта. Для частиц (при г!а -> 0) в условиях потенциального обтека- ем 1 ния цилиндра StKp = -g-. В условиях вязкого обтекания для осаждения требуется сравни- тельно большой инерционный эффект. Для этих случаев критиче- ское значение чисел Стокса при лембовском поле течения (Re = = 0,1) было определено Натансоном 30. Оно составило для цилин- дра StKp = 4,3+0,1. Девин37 предложил общий аналитический метод определения StKp для потенциального обтекания тел различ- ной формы и с учетом пограничного слоя. 31
Следует еще раз отметить, что т]'t = 0 при St < StKp относится только к условиям чисто инерционного осаждения. Фактически захват частиц препятствием происходит, когда частица прибли- жается к поверхности на расстояние, равное ее радиусу, и при St <StKp будет происходить захват, обусловленный эффектом касания. Установлено, что функция т]^ = f (St, Re) является нор- мально-логарифмической 27. На графике с вероятностно-логарифми- ческой шкалой ординат она изображается прямой линией и может Рис. 1.7. Расчетные и экспериментальные зависимости эффективности инерционного осаждения r|st от числа Стокса на изолированных цилиндрах: 1 — по данным Мея и Клиффорда28; 2 — по данным Уонга, Рэнца и Джонстона81; 3 — по расчетам Ленгмюра и Блод- жетт7; 4 — по данным Григори2. быть в первом приближении охарактеризована ее медианным значением (St/2)^5, т. е. значением (St/2)0-5, при котором q't — = 50%, и геометрическим стандартным отклонением og. В пере- ходной области обтекания цилиндра (0,2 < Re < 150) прямая для инерционного осаждения частиц на изолированном цилиндре описывается уравнением (St/2)0-5 = 1,253 Re"0-0685 (1.31) Для Re <0,2 (St/2)m = l,4 (1.32) При этом Gg = 1,65. На рис. 1.8 показаны экспериментальные данные27- 31- 32 и функ- ция (St/2)mS для чисел Re = 0,2; 30,0 и 150. Эти графики исполь- зуются для расчета эффективности волокнистых фильтров. Для грубой оценки величины на цилиндрах при Re = 10 можно пользоваться эмпирическим уравнением 33: ^st = St3+ l,54St2 + 1,76 <L33) 32
Для режима вязкого обтекания изолированного цилиндра экспериментальные данные по оценке T]gt отсутствуют. На рис. 1.9 показаны расчетные кривые16’35 при различных значениях пара- метра касания R, т. е. для осаждения при совместном проявлении механизмов инерции и касания. На основе приведенных графических зависимостей эффектив- ности осаждения при совместном действии инерции и касания было получено следующее уравнение для nPKRe= =0,2 1lst+« = 0’16 [Я + +(0,25 + 0,4+) St — 0,0263+ St2] (1-34) Оказалось, что эффективность осаждения при совместном действии инерции и касания выше, чем сумма эффектив- ностей осаждения отдельно за счет инерции и касания. Гравитационное осажде- ние частиц. Захват частиц может осуществляться в ре- зультате их оседания со ско- ростью свободного падения под действием силы тяжести, эсобенно при вертикальном течении через фильтр. Коэф- фициент захвата для цилинд- ра, расположенного горизон- тально поперек потока, опре- деляется по уравнению ®8: vs _ г'(ирчС 2ag и 9ра и2 Рис. 1.8. Вероятностно-логарифмическая зависимость коэффициента инерцион- ного захвата частиц изолированными во- локнами различного диаметра (в мкм): / — 29; 2 — 82,6; 3 — 53,1; 4 — 105,7 (Рч = = 1,48 10’ кг/м3, и = 3.99—50,9 м/сек, 2г = = 0,56—1,4 мкм). = G (1.35) где vs — установившаяся скорость свободного падения частицы; Fr — критерий Фруда, Fr = “ag ; G — седиментационный параметр. Из уравнения (1.35) следует, что параметр седиментационного оседания равен отношению скорости свободного падения частиц к скорости их движения с потоком. По данным ®9, в случае гори- зонтального течения имеет порядок G2. Если цилиндр располо- 3 В’ Н. Ужов 33
жен поперек потока под углом, значение необходимо умножить на отношение площади горизонтального сечения цилиндра к пло- щади сечения, перпендикулярного потоку. Для нисходящего и восходящего потоков газа, т. е. когда ско- рость потока совпадает с vs или направлена строго в противопо- ложном направлении, коэффициент захвата, обусловленный седи- ментацией, с учетом эффекта касания в первом приближении можно рассчитывать по формулам (1 + R) G при течении вниз и —(1 + R) С при течении вверх. Вследствие малых значений vs по сравнению со скоростью движения частиц с потоком седиментационный механизм осажде- Рис. 1.9. Эффективность инерционного захвата частиц цилиндром при Re = 0,2 и разных значениях 7? = г!а. ния в обычных условиях фильтрации для частиц с 2г <0,5 мкм почти не играет роли, но становится заметным при пропускании аэрозоля с частицами диаметром 1 Якм через слой волокон разме- ром 2а = 10 мкм со скоростью меньше 0,05 см!сек. Гравитационное осаждение частиц имеет некоторое значение для пульсирующего или прерывистого потока аэрозоля, напри- мер, в респираторах, а также в глубоких слоевых зернистых или грубоволокнистых фильтрах при низких скоростях фильтрации (до 5 см!сек}, когда эффекты осаждения касанием и вследствие инерции не играют определяющей роли40. Суммарный коэффициент захвата частиц изолированным ци- линдром. При обтекании изолированного цилиндра потоком аэро- золя одновременно могут проявляться в разной степени все рас- смотренные выше механизмы осаждения. Если бы каждый из этих механизмов был независим от других, то суммарный коэффициент захвата т]^, был бы равен сумме составляющих тд = т]д + т]д + + i]gt. В действительности же такое суммирование только в неко- торых случаях дает приближенные результаты. Попытки оценить степень влияния на т]^, одновременного действия различных меха- низмов пока не привели к точным решениям общего уравнения т]у = f (Д, R, St, G), хотя приближенные данные для расчета 34
эффективности при комбинированном проявлении двух или трех механизмов осаждения получены. В условиях малых значений параметров Д и St общий коэффи- циент захвата иногда полагают равным коэффициентам захвата при совместном действии диффузии и касания и совместном дей- ствия инерции и касания1- 12. Общая эффективность должна быть больше, чем любой парциальный коэффициент захвата, но меньше, чем их сумма. Лучшее приближение достигается при допущении, что частицы, не уловленные в результате осаждения по одному из механизмов, будут осаждаться под действием других механизмов. В этом слу- чае выражение для суммарного коэффициента захвата принимает вид ЧдИ1—•ПкХ1—nst) t1-36) Если один или два парциальных механизма играют определяю- щую роль при осаждении частиц, то в конкретной ситуации необ- ходимо рассчитывать величину ?]' по наиболее вероятным видам осаждения. Определяющими механизмами будут, очевидно, те, для которых величина if будет максимальна. Остальные меха- низмы в этих условиях будут играть второстепенную роль и в пер- вом приближении ими можно пренебречь. Уравнения для коэффициента захвата частиц изолированным цилиндром За счет совместного действия диффузии и касания были предложены многими авторами9- 12-22 26 - 41- 42. Для учета совмест- ного действия всех трех механизмов в уравнение (1.34) вместо St вводится16 «главный» параметр PF = St + 2Д: Т)2 = 0,16 [/? + (0,25 + 0,4/?) Рр — 0,0263Р|.] (1.37) ФИЛЬТРАЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ ВОЛОКНИСТЫМИ ФИЛЬТРАМИ Связь между эффективностью фильтра и коэффициентами захвата отдельными волокнами. Рассмотрим сзязь между эффек- тивностью осаждения частиц в волокнистом фильтре т] и суммар- ным коэффициентом захвата частиц т)" единицей длины волокна в слое. Примем, что фильтрующий слой, имеющий одинаковую плот- ность упаковки а, состоит из волокон одного радиуса а, равно- мерно расположенных перпендикулярно потоку. Общая длина волокон L в элементарном объеме такого слоя с площадью лобо- вой поверхности S = 1 / и толщиной dh будет равна L = При прохождении через этот слой потока аэрозоля с частичной концентрацией п0 каждой единицей длины волокон в единицу вре- мени улавливается t]s'2Quno частиц определенного радиуса 3* 35
и I и где и = i ------средняя скорость потока между волокнами фильтра; г)" — коэффициент захвата частиц единицей длины волокна в фильтре под влиянием всех механиз- мов осаждения. Убыль частиц в потоке, прошедшем этот элементарный слой, , , г, па dh равна —иап, следовательно —иап = t]s-2au После преобразований получим: _dn_ п .тш(1—а) 1 В результате интегрирования имеем: „ 2а/Гп' 0,86а#тц. In — =-----н---4— иди 1g К' = 2----77----~ (1-38) Лд п(1— a) a & n(l— a) a ' ' где К.’ — коэффициент проскока, %; Н — толщина слоя фильтра. Для фильтрующих материалов с высокой пористостью член (1 — а) приближается к 1 и поэтому его опускают. Уравнение (1.38) называют основным законом улавли- вания частиц однородным фильтром и обычно выражают через коэффициент проскока фильтра где g — показатель структуры слоя, равный _ 2аН _ 2/пф £ па ~ прва (1.39) (1.40) где /Пф — масса 1 л:2 слоя фильтра, кг\ рв — плотность материала волокон, кг/м3. Из уравнения (1.38) следует линейная зависимость логарифма проскока монодисперсного аэрозоля от толщины однородного слоя: lgx = —0,43й'// (1.41) k, 2aTlz па где Таким образом, если установлено последовательно несколько одинаковых фильтров, то процесс улавливания монодисперсных частиц в каждом из них проходит независимо, т. е. каждый из них улавливает одну и ту же долю поступающих в него частиц. Если один слой снижает концентрацию вдвое (Ki = 0,5), то два слоя — в 4 раза (/<2 = 0,25), три слоя — в 8 раз (Д3 = 0,125) 36
и т. д. Коэффициент проскока нескольких фильтров К (в долях) равен произведению проскоков этих фильтров К = К'/ГК"' (1.42) где К', К", К"’ — коэффициенты проскока соответственно первого, второго и третьего слоев. Для фильтров, состоящих из волокон различного размера, целесообразно в уравнении (1.38) использовать вместо величины а отношение «кВ/«сР, где скв — средний квадратичный радиус х; «ср — среднеарифметический радиус волокон. На практике значения величин К, Н, а и а обычно определяют экспериментально, а затем из уравнения (1.39) находят общий коэффициент захвата единицей длины отдельного волокна в филь- тре = - 3,62—(1-43) где Кж — измеренный коэффициент проскока фильтра в долях. Вычисленный таким образом коэффициент т)" не будет совпа- дать с коэффициентом захвата изолированным цилиндром т]^,, так как поле скоростей вокруг волокон даже в изотропном фильтре отличается от поля скоростей вокруг изолированных цилиндров. Эффективность отдельных волокон- в слое может быть больше, а иногда и меньше той, которая наблюдается для изолированных волокон 43. Для учета влияния близкорасположенных волокон, а также других структурных особенностей слоя (пространственной ориентации волокон, неоднородностей в плотности упаковки, груп- пирования волокон в пучки и других) были использованы различ- ные методы. В большинстве случаев сближение волокон при уплотнении фильтров ведет к увеличению единичного волокна в слое, при- чем влияние плотности упаковки более заметно проявляется на изменении перепада давления, поэтому знание сопротивления фильтрующих перегородок в ряде случаев позволяет перейти от коэффициентов захвата изолированными волокнами q' к коэффи- циентам захвата волокном в слое т]" и к эффективности фильтров q. Улавливание частиц в реальных фильтрах. Применяя метод изолированных цилиндров к реальным волокнистым фильтрам, Ленгмюр предположил, что поле течения вблизи всех волокон в слое остается одинаковым и описывается уравнениями типа (I 4) и (1.5), а присутствие соседних волокон влияет только на вели- чину 2 (2 _ 1п — Cl, и это влияние можно оценить путем измере- ния сопротивления фильтров. 37
Используя уравнение Лемба 13 для силы сопротивления еди- ницы длины цилиндра, расположенного перпендикулярно потоку Fj = 8лрС1, Ленгмюр представил Др фильтра уравнением Др = FyLH 8aiiHC'L tP так как общая длина волокон в единице объема фильтра L = . Подставляя в данное уравнение экспериментальное значение со- противления Дрэк> °н определил С1 для волокон в слое CL = = Дрэка2/(8о,р,Я) и предположил, что коэффициент захвата от- дельным волокном в фильтре т]" может быть вычислен из уравне- ний (1.11) и (1.21) при подстановке вместо d = и/2 (2 — In Re). Для расчета эффективности реальных фильтров при совместном действии эффектов касания и диффузии Ленгмюром было получено следующее уравнение: 1g Д' = — 0,43^д+л = - 0|43*^Др»к (1,44) Величина х0 может быть определена из уравнения х0(х0-/у= (1-45) где р — коэффициент порядка 1. Влияние соседних волокон учтено Девисом 16 при малых чис- лах Re и различных R ==-^-. Полученные им графические зави- симости приблизительно аппроксимировались следующим уравне- нием для эффективности осаждения частиц в результате касания в слое = 7? (о,16 + 10,9а — 17а2) (1.46) Комбинируя это уравнение с уравнением (1.37) для изолирован- ного волокна, Девис получил следующее уравнение для суммар- ного коэффициента захвата, учитывающее все механизмы осажде- ния на единичном волокне в фильтре при Re = 0,2: = [7? + (0,25 + 0,47?) (St + 2Д) — 0,0263 (St + 2Д)2] X Х(0,16-р 10,9а — 17а2) (1.47) В расчетах фильтров по этому уравнению при а <0,02 диа- метры волокон измеряются с помощью микроскопа, а при а > £> 0,02 — на основе опытных значений Дрэк по эмпирической фор- муле «2 = 17’5|1ыЯ а1.5 (! + 52а1.6) (1.48) ДрЭК
Девис полагал, что уплотнение фильтров одинаково влияет на эффективность осаждения частиц по любому механизму Так как теория Девиса учитывает все три главных механизма осаждения и основана на экспериментальном материале, были сделаны попытки ее усовершенствовать. Торжесон 44 для расчета волокнистых фильтров предложил сле- дующее уравнение: (1-49) где n'st+R = П + Я1’5 st (0.25 + 0,4В)] (1.50) Коэффициент захвата касанием определяется из соотношения фд = 0,0518 (Ср Re/2) В1-5 (1.51) где Ср — коэффициент со- противления волокна. Для определения коэффи- циента захвата под влиянием диффузии т]д Торжесон ис- пользует уравнение: Рис. 1.10. График для определения коэф- фициента В в зависимости от величины М = 0,5Ср Re В2’5 Ре. / Ср ReW Чд = 0,75 Ре"0-6 (1-52) Значение В, учитывающее влияние эффекта касания на диффузион- ное осаждение, определяется из графика (рис. 1.10), а величина А, учитывающая инерционный заброс частиц в пограничный диффу- зионный слой, где они улавливаются под влиянием диффузии, рассчитывается по уравнению А = 1 + 0,025 Ср Re ~2 0,6 Ре0’6 St 0,25 4-4,74 CD Re 2! 0,4 Ре-°’4 (1.53) , Ср Re Для реальных фильтров значение —%— находят по уравне- нию, предварительно определив Дрэк Сд Re__зю2 Дрэк 2 ацНи (1-54) Фридлендер и Пасцери48 для вычисления т]" при Re < 1 и St <0,5 предложили следующее полуэмпирическое выражение: т]" = 6 (т^-)-2/3 Ре-0,5 + ЗВ2 Ре0-5 (1.55) 39
Рис. 1.11. Сравнение эксперимен- тальных и теоретических значе- ний величин эффективности осаж- дения нейтральных конденсацион- ных частиц в стекловолокнистых фильтрах: 1 — данные Чена’; 2 — данные Уонга и Др.32; 3 — теоретическая, кривая, соответствующая уравнению (1.56). На рис. 1.11 сравниваются теоретически вычисленные и опыт- ные значения эффективности осаждения конденсационных туманов диоктилфталата и серной кислоты в стекловолокнистых фильтрах при 62 < Ре <2,8-104; 0,06 <R < 0,29; 1,4-10~3 < Re < <7,7-10~2 и 5,2-Ю"4 <St < < 0,37. Теоретически вычислен- ные кривые для Re = 0,1 и Re = = 0,001 удовлетворительно совпа- дают с экспериментальными дан- ными. На рис. 1.11 сплошная ли- ния проведена в соответствии с уравнением 22 Чд+Я R Ре = 1,37? Ре1/3 _|_ 0,7 (/? Ре1/3)3 (1-56) Аналогичные графические за- висимости 'Фд+д = f (R, Ре» Re) для различных фильтров, получен- ные на основе обобщения много- численных экспериментальных дан- ных19, показаны на рис. 1.12. Эти данные можно использовать при расчете фильтров. Некоторые исследователи 46 пы- тались оценить взаимное влияние волокон в слое не на основе гидро- динамических зависимостей, а из чисто • геометрического рассмотре- ния структуры фильтров из стек- лянных волокон. Установлено, что соотношение размеров гру- бых и тонких волокон и характер их расположения в реальных фильтрах имеют определяющее значение для величины проскока аэрозоля. При введении в более однородные однокомпонентные фильтры грубых волокон сни- жается число более мелких пор, которые заменяются крупными. При этом заметно снижается величина Ар и резко изменяется эффективность осаждения, особенно если преобладающим в общем механизме является осаждение в результате касания и инерции. Кирш, Стечкина и Фукс39- 47-54 разработали метод расчета волокнистых фильтров исходя из «веерной» модели фильтра, пред- ставляющей собой систему последовательно установленных реше- ток из параллельных волокон, повернутых друг относительно друга на произвольный угол. Эта модель может быть принята за 40
:. 1.12. Эффективность осаждения частиц сдельном волокне в фильтрах (по данным различных авторов): вискозных; 2 — стекловолокннстых; 3 — бу- мажных. идеальный однородный фильтр, для которого двумерное поле скоростей вокруг волокон приближенно определяется функцией тока Кувабара—Хаппеля [уравнение (1.6)]. Предложены следующие формулы для расчета суммарного ко- эффициента захвата частиц отдельным волокном в «веерной» мо- дели т]® при u < 1 м!сек, а также захвата частиц под влиянием различных механизмов: = 4д + Чя + Чд+я + 4st 2 (1.57) 4Д = 2,9/г7’/3 ре-2/3+ + 0,624 Ре-1 (1.58) _(1+^) + 2(14-^)1п(1 + 7?)] (1.59) £ Т]«+А,= 1.24Л70'5 Ре-0-5/?2/3 3^ (1.60) 1 Уравнения для инер- ционного захвата частиц относятся к докритиче- ским числам Стокса: ^-1 4st = (4r2/st (1.61) где / = (29,6 — 28а0-62) £2 — —27,5R2-8 (1.62) ю-г Для малых значений а в Z этих формулах гидродина- рИ( мический фактор kr = на - = —1,151g а -0,52. Было установлено, что ‘ - неоднородность структуры реальных фильтров одинаково влияет как на их сопротивление, так и на суммарный коэффициент захвата частиц. Для учета любого рода неоднородностей в фильтрах вводится понятие о коэффициенте неоднородности структуры в, представляющем собой отношение сил, действующих на единицу длины волокна в модельном «веерном» фильтре FB, к силам, действующим в реальном фильтре F$, т. е. 8 = ^ (1-63) г* 41
Для реального фильтра величина F$ определяется на осно- вании опытных значений Лрэк по уравнению Дрэкла2 Для модельного фильтра значение FB рассчитывается теорети- чески по уравнению Fb = —1,151g а —0,52 П'65) Коэффициент проскока реального фильтра определяется по формуле 1g к = — 0,87а№]|/пае (1.66) Величина критического числа Стокса, при котором начинается инерционное осаждение частиц в волокнистом слое и которую сле- дует учитывать при расчете фильтров, однозначно еще не опреде- лена. По данным одних авторов 32- 55 она равна 0,34, по другим данным 56-58 — 0,54. 1 В приведенном выше расчете инерционный захват учитывается при докритических числах Стокса совместно с касанием м. ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСАЖДЕНИЯ ОТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ При конструировании новых волокнистых фильтров, выборе готовых образцов фильтрующих материалов и эксплуатации филь- тров необходимо учитывать влияние механизма осаждения частиц на основные параметры процесса фильтрации. Зависимость эффективности от размеров частиц. Осаждение полидисперсных частиц в фильтрах происходит при совместном участии процессов диффузии, касания и инерции. При этом самые мелкие частицы размером 2г < 0,3 мкм осаждаются преимущест- венно в результате диффузии, а более крупные — под воздействием эффектов касания и инерции. Вследствие этого кривые фракцион- ной эффективности, т. е. осаждения от размера частиц, должны про- ходить через минимум, соответствующий частицам такого размера, которые хуже, чем другие, задерживаются в фильтре при опре- деленных значениях скорости потока и размеров волокон. Частицы крупнее 0,3 мкм почти не смещаются с линий тока за счет броунов- ского движения, но начинают все более интенсивно осаждаться в результате проявления эффектов касания и инерции. В любых условиях фильтрации полидисперсного аэрозоля имеются частицы, для которых результирующая эффективность осаждения является минимальной. Определение размера наиболее проникающих частиц (rmax) для фильтров тонкой очистки имеет большое практическое значение, 42
так как если известен размер таких частиц и обеспечена требуемая эффективность их осаждения, то более эффективное улавливание частиц всех других размеров тем более гарантировано. При раз- работке новых фильтров и оценке их работы необходимо применять монодисперсные аэрозоли, содержащие наиболее проникающие ча- стицы, или полидисперсные аэрозоли, в которых медианно-весовой размер частиц близок К Лпах* Результаты испытаний фильтров из стеклянных волокон размерами 2а = = 1,5 мкм (рис. 1.13) четко показывают наличие мак- симально проникающих частиц. Восходящие ветви кривых в левой части ри- сунка относятся к области доминирующего значения диффузионного осаждения, нисходящие ветви отно- сятся к частицам, в осаж- дении которых все боль- шую роль начинает играть эффект касания 40. По положению кривых -1] = f (г) при разных ско- ростях фильтрации видно, Рис. 1.13. Проскок через стекловолокнистые фильтры в зависимости от размера частиц при различной скорости потока (в см!сек)'. 1 — 0.094; 2 — 0,21; 3 — 0,42; 4 — 0,94. что с увеличением скорости макси- мум проскока смещается в сторону частиц с меньшими радиу- сами. Аналитическая зависимость гтах от основных параметров процесса фильтрации может быть определена из уравнения, вы- ражающего эффективность улавливания частиц на волокне в ре- зультате диффузии и касания или действия всех трех механизмов осаждения. Фридлендер 41 использовал уравнение (1.55) и после преобразования его получил следующее выражение для размера наиболее проникающих частиц 2г щах — 0,85 feB7 \0.25 / 2а\0-375 М\0,125 Зл ) \ и ) \ргц/ (1-67) Положение максимума проскока зависит также от диаметра воло- кон, причем с увеличением размера волокон гшах увеличивается, а перегиб кривой становится более пологим. Наличие в процессе фильтрации частиц, обладающих макси- мальным прониканием, определяет селективность фильтров. Селек- тивность свойственна также изолированным волокнам, причем пере- ход от изолированных к единичным волокнам слоя обычно приводит к уменьшению селективности 43. Если фильтрующие материалы имеют изъяны (проколы, прореженные места и т. д.), то селектив- 43
ность может исчезнуть; такие материалы тогда называют неселек- тивно фильтрующими. Чем более однородны фильтры (выше их качество), тем резче выражена селективность (рис. 1.14). Для большинства высокоэффективных фильтрующих материа- лов в обычных условиях фильтрации ггаах составляет 0,05—0,2 мкм (чаще 0,15 мкм). Вследствие селективности при пропускании недо- 2г, мкм Рис. 1.14. Зависимость коэф- фициента захвата частиц во- локном от размера частиц для разных волокнистых ма- териалов при скорости филь- трации (в м/сек)'. а — 0,05; б — 0,04; 1 — модель- ный фильтр; 2 — ФПП-15; 3 — фильтр из стеклянного волокна полупроизводственного изготовле- ния; 4 — фильтр из стеклянного волокна лабораторного изготовле- ния. максимально проникающих статочно монодисперсного аэрозоля через два одинаковых последова- тельно расположенных фильтра коэф- фициент проскока через второй фильтр будет всегда больше, чем через первый, который пропускает в основном наиболее проникающие частицы размером rmax. Зависимость эффективности от скорости. Противоположное влияние скорости на диффузионное и инер- ционное осаждение видно из кривой зависимости коэффициента проскока от скорости и (рис. 1.15). Величина скорости umax, при ко- торой наблюдается максимальный проскок, для определенных значений г и а, может быть получена из того же уравнения (1.55): а о ( kBT\W ( 1 \1/3 ( 1 \8/3 “max — 0,3 . —— ) 1 —— — ) а. \ п J \ЦРг/ \ Г ) (1.68) Анализ этого уравнения показы- вает, что увеличение скорости сопро- вождается уменьшением размера частиц (рис. 1.16), при этом вели- чина проскока К в максимуме снижается. С уменьшением диа- метра волокон положение максимума проскока перемещается в сторону более низких скоростей. Зависимость эффективности от диаметра волокон. При умень- шении размеров волокон эффективность осаждения частиц под влиянием всех рассмотренных механизмов захвата возрастает, поэтому в высокоэффективных фильтрах стараются применять наиболее тонкие волокна, физико-механические свойства кото- рых обеспечивают получение из них материалов с требуемой механической прочностью. Изменение диаметра волокон от 1 мкм до 50 мкм сопровождается увеличением проскока почти в 2000 раз (рис. 1.17); по оси ординат на рис. 1.17 отложены значения относительного проскока частиц размером 0,65 мкм, равного отношению измеренных величин А 44
к его минимальному значению Amtn, причем во всех опытах отно- шение сопротивлений оставалось одинаковым, что достигалось варьированием толщины слоя при а = const. Аналогичные зави- симости получены при пропускании частиц диаметром 0,6; 0,8 и 3,8 мкм (рис. 1.18). Геометрическая форма поперечного сечения волокон и шероховатость их поверхности по сравнению с измене- нием диаметра волокон не имели существенного значения 59- 60. Зависимость эффективности от пористости фильтра. Из всех приведенных уравнений по определению эффективности фильтров Рис. 1.15. Влияние различных эффектов осаждения частиц на кри- вую зависимости коэффициента про- скока К. от скорости потока и: а — диффузия; б — касание; в — инерция; г — суммарная. Рис. 1.16. Влияние скорости потока и на размер наиболее проникающих частиц 2rmax: 1 — теоретическая кривая Девиса16; 2 — экспериментальные данные. следует, что с увеличением плотности упаковки коэффициент про- скока аэрозолей непрерывно уменьшается. Это вызвано тем, что при уплотнении фильтров расстояния между волокнами умень- шаются и линии тока, соответствующие определенной скорости, проходят на более близких расстояниях от поверхности волокон. Среднее расстояние между волокнами 26 в однородных фильтрах с а < 1, приблизительно равное условному диаметру пор d„, за- висит от размера волокон и плотности упаковки и может быть вы- ражено уравнением (1.69) Из уравнения (1.69) следует, что расстояние между волокнами изменяется обратно пропорционально корню квадратному из плот- ности упаковки. Для фильтров из стеклянных волокон диаметром 2,5 мкм при и <0,47 м/сек для частиц размером 0,15—0,72 мкм и а < 0,1 экс- периментально установлена следующая зависимость между сум- 45
марным коэффициентом захвата частиц волокном в фильтре, коэф- фициентом захвата изолированным волокном и плотностью упа- ковки фильтра = (1 + 4,5а) (1-70) В зависимости от механизма осаждения частиц эти соотношения Рис. 1.17. Относительный про- скок К* частиц размером 0,65 мкм. в фильтрах в зависимости от вида и диаметра волокон 2а (для фильтра из волокон ПВХ с диаметром 1 мкм К*/К = 1): 1 — полиэфирное волокно; 2 — хлоп- ковое волокно; 3 — вискозное волок- но; 4 — стеклянное волокно; 5 — по- ливинилхлоридное волокно; 6 — шер- стяное волокно. имеют следующий вид 61: Для инерционного осаждения 4st = TlstO + 110а) (1-71) Для диффузионного осаждения Рис. 1.18. Относительный про- скок К* частиц разного раз- мера в фильтрах в зависимости от вида и диаметра волокна: 1 — аэрозоль метиленового голу- бого, 2гм в = 0,6 мкм; 2 — квар- цевая пыль, 2гм в = 0,8 мкм; 3— кварцевая пыль, 2гм_ в = 3,8 мкм; X — стеклянное волокно, О — по- лиэфирное волокно. Для осаждения касанием Чд — Чд(1 + 30а) (1-73) Эти зависимости получены при пропускании аэрозолей с ча- стицами диоктилфталата диаметром 1 мкм при и = 0,205 м!сек через стекловолокнистые слои, плотность упаковки которых из- менялась от 0,01 до 0,07. В связи с тем, что при увеличении плотности упаковки сопро- тивление волокнистых фильтров возрастает гораздо быстрёе, чем эффективность улавливания частиц, на практике преимущественно используются более пористые фильтры а <0,1. 46
Зависимость эффективности от температуры 5,62—66. -рак как повышение температуры фильтруемого аэрозоля приводит к уве- личению коэффициента диффузии частиц, то в соответствии с (1-17) эффективность диффузионного осаждения субмикронных частиц будет возрастать. С другой стороны, улавливание крупных частиц за счет эффекта инерции вследствие увеличения вязкости будет на основании (1.29) снижаться (рис. 1.19). Сопротивление фильтра при этом возрастает. Зависимость эффективности от давления газов. Изменение давления фильтруемого аэрозоля влияет на величину эффектив- Рис. 1.19. Влияние температуры на эффективность т]” улавлива- ния частиц различных размеров под влиянием различных меха- низмов: /, 2, 3 — диффузия; 4, 6 — инер- ция; 5 — касание. Рис. 1.20. Влияние температуры газа на эффективность инерционного осаждения частиц размером 1,0 мкм в стекловолок- нистых фильтрах с волокнами диаметром 10 мкм при и = 0,25 м/сек и различных плотностях газа (в кг/м3)-. 1 — 2; 2 — ЗО.д ности осаждения частиц. Это связано с изменением величины по- правки на скольжение С, входящей в выражения для числа St и коэффициента диффузии D, так как средняя длина свободного пробега молекул в соответствии с уравнением (1.19) является функцией плотности газа. Из уравнения (1.19) следует, что при Т = const величина X обратно пропорциональна плотности газа, а поэтому скорость диффузионного осаждения должна возрастать с уменьшением давления. Аналогичное происходит при осаждении частиц по механизму инерции. Влияние плотности газа на осажде- ние в результате касания значительно меньше 3. Теоретические и экспериментальные исследования закономер- ностей осаждения частиц на волокнах при разрежении 67 68 под- твердили приведенные выше закономерности. Например, при уменьшении давления воздуха с 101 325 н/м2 до 1733,2 н/м2 (с 760 мм pm. cm. до 13 мм pm. cm.) эффективность осаждения субмикронных частиц в фильтрах ФП при и = 0,3 м/сек увеличи- лась с 80% до 99,999% 68. 47
При одновременном повышении температуры и давления эф- фективность инерционного осаждения снижается вследствие более сильного влияния роста давления по сравнению с влиянием повы- шения температуры на вязкость (рис. 1.20). ОСАЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ В ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРАХ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ Ранее, при рассмотрении теории фильтрации, влияние электри- ческих зарядов на частицах и волокнах не учитывалось, хотя в не- которых случаях это имеет существенное значение для процесса фильтрации. Улавливание заряженных частиц особенно важно для высоко- эффективных аэрозольных фильтров, изготавливаемых из сильно заряженных диэлектрических волокон, например ультратонких перхлорвиниловых волокон (фильтры ФПП), а также для шер- стяно-смоляных фильтров. Последние представляют собой расче- санные на кардных машинах шерстяные волокна, на которые на- несен тонкодисперсный порошок модифицированной бакелитовой смолы. В результате трения при расчесывании на волокнах воз- никает положительный заряд, а на частицах смолы — отрицатель- ный. Высокая эффективность улавливания субмикронных аэро- золей в фильтрах обоих типов в начальной стадии их работы почти полностью объясняется электростатическим притяжением. Так, например, при фильтрации запыленного газа через свежий мате- риал ФПП при и = 0,01 м/сек К = 0,0001 % (по частицам разме- ром 2г = 0,34 мкм); после снятия заряда /С = 10%, т. е. величина проскока увеличилась в 10 000 раз 68. В результате изучения электрического осаждения частиц из потока на цилиндре выявлено четыре основных вида электриче- ского взаимодействия 70: 1) сила притяжения или отталкивания (кулоновская сила) между заряженными частицей и цилиндром; 2) сила индукции между зарядом на частице и его зеркальным отображением (индуцированным зарядом противоположного знака) на поверхности цилиндра; 3) сила индукции между зарядом на цилиндре и индуцирован- ным зарядом на частице; 4) сила взаимодействия между заряженной частицей и другими частицами, заряженными униполярно. Различным случаям электрического взаимодействия соответ- ствуют безразмерные параметры осаждения, обозначаемые в ли- тературе буквой /( с соответствующим индексом. Эти параметры представляют собой отношения действующих на частицу у поверх- ности осадителя (цилиндра) электрической силы к стоксовой силе сопротивления среды движению частицы (F = бзцхги/С). 48
В обычных (специально не заряженных) волокнистых мате- риалах из всех четырех перечисленных выше взаимодействий важ- ным является только второе. Действие кулоновских сил и сил индуцированных зарядом волокна в этих фильтрах несущественно, так как небольшие заряды на волокнах быстро нейтрализуются противоположно заряженными частицами, а индукционной силой обычно пренебрегают. Четвертый вид взаимодействия имеет зна- чение только при очень высоких концентрациях заряженных ча- стиц аэрозолей. Однако при намеренной зарядке волокон, а также при наложении на волокнистый слой электрического поля вы- сокого напряжения заряд волокон или их поляризация могут играть главную роль в общем механизме улавливания частиц. Рассмотрим более подробно осаждение частиц из потока на изолированном цилиндре под влиянием первых трех видов взаимо- действия электрических сил. Заряженные частицы и цилиндр 70-72. Сила Е (р), действую- щая на расстоянии р между частицей и цилиндром, может быть определена по уравнению: F(p) = J^ = <^- (1.74) 2пе0р 2еор где q — заряд частицы, к; Qv — объемная плотность заряда цилиндра, Ql — заряд на единице длины цилиндра, к!м\ е0 —электрическая постоянная (е0 — 8,85 X X 10-12 (ф/м) [№/(«№) 1; Ql = na2Qv. Коэффициент захвата для единичного волокна выражается уравнением / - . . ______QvW П75) эк 12леораиг 12e0pur ' ' В качестве безразмерного параметра кулоновских сил при- нимается _ QlQ _______ Q\‘Qrz ,j yg. к 12лаеораиг 12л80риг ' ' ' и тогда Щк = — (I-77) Полученное значение т]' не зависит от вида поля скоростей в фильтре. В данном случае предельные траектории могут огибать цилиндр и пересекать поверхность в тыльной точке застоя, так что кулоновское осаждение происходит по всей поверхности цилиндра. 4 в.;н. ужов 49
Результаты испытаний шерстяно-смоляного фильтра по улав- ливанию аэрозоля NaCl с частицами 2гм. в = 0,6 мкм показали, что проскок сильно заряженных в коронном ионизаторе частиц снизился с 0,5% до 0,05%, а при полной нейтрализации частиц возрос до 1%. Эффективность нейтральных целлюлозно-асбесто- вых и стекловолокнистых фильтров, испытывавшихся парал- лельно, изменялась аналогично, но в значительно меньшей степени я. Незаряженный цилиндр и заряженные частицы. Сила взаимо- действия малой заряженной частицы (г < р — а) с индуцирован- ным зарядом на нейтральной поверхности цилиндра на близких расстояниях от частицы при (р — а)/а < 1 определяется уравне- нием 72 р / \_ Ч ьц — 1 f W~16:reo(p-«)2^+T (1.78) где ец — диэлектрическая постоянная вещества цилиндра. Коэф- фициент захвата частиц в этом случае рассчитывается по уравне- ниям: а) в условиях потенциального обтекания / ец-£----f___\ 1/з = g^i/з (L79) э,и \ец+ 1 16ле01лга2и/ и л2 g ___ J где ^=9б^^^+т-безРазмеРНЬ1Й паРаметр; б) в условиях вязкого обтекания • ' c'l? \0-5 2 0. Т1э-И \8ц 4-1 12л2е0рга2и2/ (2 — In Re)0-5 и где Cl 2 (2 — In Re) (1.80) В этом случае обычно т)' и 1. Экспериментальное изучение влияния этого механизма осажде- ния было проведено с использованием шерстяного фетра, стекло- волокнистого фильтра и пенополиуретана; аэрозоли, содержащие монодисперсные твердые частицы размером 0,1 и 1,0 мкм, заря- жались в короцном ионизаторе 73. На основании эксперименталь- ных данных, полученных при испытании фильтров из фетра и стек- лянного волокна (рис. 1.21), установлено, что для улавливания сильно заряженных частиц размером 1 мкм осаждение происходит в основном по механизму зеркального отображения. Например, эффективность фетра при скорости 2,2 см!сек возросла с 16 до 99% 50
для частиц, каждая из которых имела заряд 5,12-10-17 к (320 эле- ментарных зарядов), т. е. проскок уменьшился в 84 раза. Кроме того, обнаружено, что практически коэффициент за- хвата единичным волокном в фильтре примерно на 40% выше, чем рассчитанный по уравнению (1.80). Даже при небольшом заряде (до 1-10-18 к) частиц размером 0,1 мкм коэффициент проскока уменьшается в несколько раз. Таким образом, в обычных неза- ряженных фильтрах эффективность осаждения максимально проникаю- щих частиц 2г1Пах (0,1—0,5 мкм) мо- жет быть значительно повышена при наличии на них небольших зарядов, Рис. 1.21. Экспериментальная зависимость величины про- скока /С нейтральных и заря- женных частиц при прохожде- нии их через нейтральный фильтр от скорости фильтрации (в м/сек) для частиц разного размера: всегда имеющихся в естественных, производственных и искусственно получаемых аэрозолях. Снижение величины проскока за- ряженных аэрозолей при прохожде- нии через незаряженные фильтры отмечалось во многих исследова- ниях40- 74- 75, однако значительная разница наблюдалась только при вы- соких зарядах частиц и очень низ- ких скоростях фильтрации. Заряженный цилиндр и незаря- женные частицы. Вокруг заряжен- ного цилиндра возникает неодно- родное электрическое поле; при по- падании частицы в такое поле она Кривая Размер частиц 2г мкм Заряд (число элементарных зарядов) 1 1.0 Нет 2 01 Нет 3 01 +6 4 1’0 +150 5 1 0 +320 поляризуется и притяги- вается к цилиндру с силой Fn, называемой пондеромоторной, ко- торая может быть рассчитана по уравнению „ л — 1 г3 Fn = 4ле0 • -g- grad Е2 (181) где Е —• напряженность поля, в/м (н/к)-, 8Ч — относительная диэлектрическая проницаемость вещества частицы. Напряженность поля вокруг волокна определяется из урав- нения Е(р) = ^= «к. 2е0р 2леор dE2 dE grad Е2 = -=- = 2£ dp dp 4* 51
а сила, действующая на частицу в этом поле, будет равна nQ2a4 z г х з е„ - 1 <# / г \з «ч"1 Р е0 \ р ) еч + 2 ле0 \ р ) еч + 2 (1.82) В уравнении (1.82) воздействием поляризованной частицы на поле цилиндра пренебрегаем. Если цилиндр не влияет на поток, т. е. при т)' п 1 и р/с 1, значение т]' п для любого потока равно ' = f еч-1. У/3 = ( еч~1. _0|У_\1/3 = / Jny/з 1/3 Т'э-п ^еч-1-2' 4е0рс J убч-)-2 4ле0[ха3« / ~ \ 2 ) п (1.83) ГДе 1 i О2 г2 Кп=4п2е»?+тж- <Г84) Если осаждение частиц происходит под действием сил, дей- ствующих в непосредственной близости от цилиндра, то F (р) = = const и для частиц с г а ' еЧ-1 «4-1 ,185х ^эп еч-|-2 6gopu eq ~4 2' 6ле0ра2гг п 1-1 Из выражения для 7<п следует, что величина этого параметра при постоянном значении плотности заряда Qv снижается с умень- шением диаметра волокон и поэтому для очень тонких волокон эффект зацепления будет превалировать над электрическим эф- фектом. Исследование фильтрующих свойств слоев из поливинилхлорид- ных волокон диаметром 35 и 70 мкм, трибоэлектризация которых осуществлялась расчесыванием металлическим гребнем, показало, что проскок полидисперсных частиц метиленового голубого раз- мером 2гм. в = 2 мкм при скорости 16,5 и 33 см!сек снижался при увеличении величины заряда волокон и уменьшении диаметра волокон, причем особенно значительно при увеличении плотности упаковки и заряда волокон. Однако полезное влияние уменьшения размера волокон снижалось, если плотность зарядов возрастала. Срок эффективной работы заряженных таким путем волокон был весьма мал 76. Наличие электростатических зарядов на волокнах приводит к увеличению размера максимально проникающих частиц ”. Мак- симальный проскок как для заряженного, так и для полностью разряженного радиационным облучением шерстяно-смоляного фильтра наблюдался для частиц диаметром 0,1 мкм, для заряжен- ного фильтра — по заряженным частицам диаметром 0,4 мкм (рис. L22). Электростатические заряды на волокнах в большинстве слу- чаев не стабильны. Они исчезают со временем вследствие проводи- 52
мости волокон, усиливающейся при пропускании влажного и за- грязненного химическими примесями воздуха, вследствие осажде- ния частиц, особенно жидких и проводящих, а также в результате воздействия различных видов ионизации. Однако кроме исполь- зования фильтрующих материалов, зарядка которых происходит при их изготовлении, известен ряд способов непрерывной зарядки или поляризации волокон. Повышению эффективности волокнистых материалов путем на- ложения на них внешнего постоянного электрического поля вы- сокого напряжения по- священо несколько ра- бот 78~83. Волокнистые слои обычно размещают- ся между сетками или стержнями, служащими электродами. В опытах Хавла- чека78 эффективность улавливания частиц раз- мером 0,5 мкм слоем базальтовых волокон Рис. 1.22. Влияние электрических зарядов на размер максимально проникающих частиц: 1 — незаряженные частицы через нейтральный фильтр; 2 — незаряженные частицы через заряжен- ный фильтр; 3 — заряженные частицы через заря- женный фильтр. диаметром 5 мкм при низкой скорости филь- трации и наложении электрического поля воз- растала с 55% до 99,98%, т. е. выходная концентрация была снижена в 2250 раз по сравнению с не- заряженным фильтром (рис. 1.23). В таких фильтрах одновременно возникают различные типы электрических взаимодействий, обусловленных поляризацией и зарядкой волокон и аэрозольных частиц79-81. В результате поляризации волокон электрическим полем на- пряженностью £0 они становятся линейными диполями. Сила, действующая на попавшую в поле диполя нейтральную диэлектри- ческую частицу, находится из уравнения пондеромоторных сил (1.81) и (1.82). Вместе с однородным полем образуется общее поле, которое зависит от диэлектрической постоянной волокна — пара- метра (ец — 1)/(ец + 1). Распределение силовых линий вокруг во- локна характеризуется наличием областей, в которых действуют силы притяжения и отталкивания. С уменьшением диэлектриче- ской проницаемости волокна ец зона отталкивания увеличивается: 8ц -— 1 Вц + I при 6ц —» 1 и 0 эта зона становится максимальной, а при 8ц - 1 ец + 1 = 1 и ец —> оо эта зона минимальна; такое распределение силовых линий характерно для металлических волокон. 53
В качестве безразмерного параметра, определяющего осажде- ние незаряженных частиц, предложены следующие выражения81: для потенциального потока Eq — 1 Ец — 1 2в0£0г2 е — еч + 2 Ец + 1 Зрод и для вязкого обтекания Л® 2 — In Re (1.86) (1.87) Из выражения (1.86) следует, что коэффициент захвата одиноч- ным цилиндром увеличивается с ростом диэлектрической прони- Рис. 1.23. Влияние наложения электрического поля на эффективность улавливания частиц фильтром: /, 2— улавливание в электрическом^поле соответственно при скорости 0,2 mJ сек и 0,3 м/сек’ 3, 4 — улавливание без на- ложения электрического поля, соответственно при тех же скоростях. цаемости волокна и частиц и для проводящих волокон и частиц он будет максимальным. Так как силы, действующие между поляризованным волокном и незаряженной частицей, являются объемными и пропорцио- нальны г3, то очень мелкие незаряженные частицы улавливаются плохо. Осаждение заряженных частиц определяется параметром = (1.88) бпрги В данном случае с уменьшением размера частиц эффективность осаждения возрастает. Испытания лабораторных фильтров (рис. 1.24), содержащих от 20 до 100 слоев трикотажной найлоновой сетки из волокон диа- метром 50 мкм, заключенных между металлическими сетками — электродами, которые создавали электрическое поле напряжен- ностью Ео = 600 кв!м, показали высокую эффективность в усло- 54
виях фильтрации аэрозолей с частицами диаметром 2 мкм и при ец — еч = 4 и и = 0,1 м!сек. Фильтр отличался высокой пыле- емкостью; регенерация его осуществлялась периодической обрат- ной продувкой воздухом82. Количественное сравнение различных видов электростатиче- ского взаимодействия показывает, что поляризационные силы при наложении электрического поля значи- тельно превосходят все другие электри- ческие взаимодействия. Следует также отметить, что электростатическое поле оказывает наибольшее влияние, когда оно направлено перпендикулярно к во- локнам и параллельно воздушному по- току. Теоретическими и эксперименталь- ными исследованиями установлено, что Рис. 1.24. Сеточный наилоно- вый фильтр, на который на- ложено электрическое поле. электростатическое осаждение частиц в волокнистых фильтрах может играть значительную роль в процессе фильтра- ции малых частиц (до 5 мкм) при малых и средних скоростях аэрозоля (до 0,2 м!сек)83. В процессах же фильтрации более крупных частиц и при высоких скоростях (более 0,5 м!сек) электростатические силы мало проявляются. В связи с трудностями создания промышленных фильтров, в ко- торых использовался бы электростатический эффект, такие аппа- раты еще не выпускаются. СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ Для обеспечения требуемой скорости течения газа через филь- трующую перегородку необходимо поддерживать соответствующий перепад давлений по обе стороны перегородки. Величина перепада давлений, которая является важной конструкционной и эксплуа- тационной характеристикой фильтров, определяет расход энергии воздуходувными машинами и непосредственно влияет на капиталь- ные затраты (выбор типа вентилятора) и эксплуатационные расходы. Для большинства пористых фильтров характерен режим вяз- кого течения (Re <; 1), когда выполняется основной линейный закон фильтрации Дарси, т. е. величина Др пропорциональна ско- рости, вязкости газа и толщине слоя. Обычно для течения жид- кости и газа через пористые среды закон Дарси выражается в сле- дующем виде84-87: « = х-^ (1.89) где х (в ля2) — проницаемость, постоянная для данной пористой среды, характеризующая способность среды про- пускать газ под действием приложенного градиента давления. 55
В тех случаях, когда течение не является вязким, для учета инерционных потерь в уравнение для определения Ар вводится дополнительный член во всем диапазоне чисел Re, и оно приобре- тает следующий вид: Др = kYu -|- k2u2 (1.90) где k-i и k2 — постоянные, зависящие от параметров фильтра и газа. Исходные положения закона Дарси используют для исследо- вания сопротивления фильтрующих перегородок в двух различ- ных направлениях. При этом в одном случае моделью фильтра является пористое тело, представляющее собой систему взаимо- связанных каналов, для определения размеров которых вводится понятие гидравлического радиуса пор; для расчета Ар на основе закона Дарси рассматривается движение газа внутри этих каналов. Во втором случае моделью фильтра является система из от- дельных волокон, сопротивление которой равно сумме сопротивле- ний всех волокон в объеме фильтра, т. е. в этом случае рассматри- вается обтекание отдельных волокон, уложенных в слой, на основе уравнения Навье—Стокса. Классическое уравнение Козени—Кармана, широко исполь- зуемое для определения удельной поверхности порошков по их проницаемости для газов, для расчета Др волокнистых слоев было представлено88 в следующем виде: Однако это уравнение применимо89 только для очень плотных фильтров с а > 0,12. Было показано 16, что при условии выполнения закона Дарси соотношение Ь.ра21(\шН) = k0, называемое коэффициентом сопро- тивления среды, является функцией только пористости. Прони- цаемость среды связана с Ао соотношением « = a2lk0. В результате обширных экспериментов с самыми различными волокнами Де- вис16 вывел следующее уравнение для определения Ар волокни- стых фильтров, плотность которых находится в пределах от 0,006 до 0,3: Др = а1.5 (1 + 56а3) (1.92) Данные расчетов по уравнению (1.92) лучше согласуются с опыт- ными данными для рыхлых фильтров, в которых хорошо распреде- лены волокна; получающийся разброс значений Ар объясняется не- однородностью структуры, зависящей в основном от способа приго- товления материалов90, 91. Свойства элементарных волокон (форма сечения, шероховатость поверхности, степень эластичности, из- 56
витость, характер и пределы распределения их по размерам) также влияют на величину Др. При высоких значениях а ошибки в опре- делении Др по уравнению (1.92) возрастают. На рис. 1.25 приве- дены данные Девиса по определению k0 фильтров, состоящих из Рис. 1.25. Влияние плотности упаковки а на коэффициент сопротивления k0 различных во- локнистых фильтров16. В соответствии с теорией лобового сопротивления волок jh сила сопротивления на единицу длины изолированного цилиндра для вязкого обтекания может быть подсчитана по уравнению f = Copru2a (1.93) где Ср — коэффициент лобового сопротивления изолированного ци- линдра, который является функ- цией числа Re; Ср определяется по экспериментальной кривой (рис. 1.26); в области Re <5 для определения Ср можно использо- вать уравнение Рис. 1.26. Зависимость коэффици- ента сопротивления Ср изолиро- ванного цилиндра от числа Re. С° Re (2 — In Re) (L94) С учетом того, что общая длина волокон в фильтре с единичной площадью L = аЯ/(зта2), уравнение для Др фильтра с поправкой на взаимное влияние волокон в слое f (а) принимает следующий вид 27: Ap = -^^Cp(Re)f(tt) (1.95) 57
По результатам многочисленных опытов, проведенных на про- мышленных фильтрах, получены 114,1 следующие соотношения для коэффициента сопротивления, используемые для расчета Ар: _ &ра? _ 4<х(1 4-ЗОос) ° ирН (1 — а)2 (2 — In Re) ( J kB = (1.97) л (1 — а) In (0,41а °’5) На рис. 1.27 представлены экспериментальные данные, также используемые для практических расчетов Ар фильтров из стеклян- Рис. 1.27. Зависимость коэффициента сопротивления Ср фильтров из стеклянных и хлопковых волокон от числа Рейнольдса: 1 — волокна из хлопка диаметром 21 мкм {т = 1,45); 2 — стеклянные во- локна диаметром 19 мкм (т = 1,35); 3 — стеклянные волокна диаметром 8 мкм (т — 1,55). ных и хлопковых волокон. Для слоя волокон из хлопка при опре- делении Др вводится поправка19-92 в виде показателя степени т при а, которая равна 1,45; для слоев из стеклянных волокон эта поправка составляет 1,35 и 1,55 соответственно для волокон диа- метром 19 и 8 мкм. Решая уравнение Навье—Стокса для системы параллельных волокон, расположенных вдоль потока, Ленгмюр12 предложил для расчета k0 реальных фильтров уравнение Крс^ 2Ва —0,51па + а — — 0,75 4 (1.98) 58
где В — эмпирическая поправка (1 В 2), учитывающая не- однородность фильтра. При идеально равномерном рас- пределении волокон, полностью ориентированных пер- пендикулярно потоку, В = 2. Фукс с сотр. 47'50, используя уравнение для поля скоростей Кувабара, предложили формулу, аналогичную рассмотренной выше: . 4а 4а ^0 =--ЕГ —-----------------о------ <=> -, ,----х тс (1.99) ииН __ , а2 _ __ —1,15 In а — 0,75 v ' г —0,5 .па + а-------0,75 4 Уравнение для определения k0 в другом виде предложил Хап- пель15: ___________4а___________ , , _ . 1 — а2 ,15 In а — 2(1 4а — 1,151па —0,5 (1.100) Практическая ценность последнего уравнения подтверждена другими авторами, но вместо цифры в знаменателе 0,5 для филь- тров типа ФП принимается 93 цифра 0,4, а для стекловолокнистых слоев 94 — 0,25. Величины сопротивлений промышленных фильтров вследствие беспорядочного расположения волокон и наличия больших пор всегда меньше, чем полученные расчетом по теоретическим урав- нениям, поэтому на практике чаще используются полуэмпириче- ские соотношения. На рис. 1.28 показаны зависимости коэффициен- тов сопротивлений k0 (а) = от плотности упаковки для не- которых из приведенных выше соотношений. Из рисунка видно, что при использовании уравнений (1.96)—(1.98) получаются близ- кие между собой результаты и более низкие значения Ар, чем при использовании уравнений (1.92) и (1.100). Максимальное расхо- ждение в значении Ар при использовании всех уравнений, кроме уравнения (1.91), составляет 2. Это, по-вйдимому, связано с неодно- родностью фильтров, для которых были получены эти уравнения. Для наиболее однородных фильтров следует использозать уравне- ние (1.100), а для менее Однородных (более распространенных) — остальные уравнения. Данные о гидравлических свойствах волокнистых слоев ис- пользуются не только для оценки сопротивления чистых фильтров, но и для определения «эффективного» размера волокон с учетом их взаимного влияния в слое и для расчета коэффициента неодно- родности реальных фильтров при расчете эффективности улавли- вания частиц в фильтрах. Соответствующие соотношения для вяз- кого течения приводились выше. Для расчета эффективности фильтров, работающих в переход- ном режиме (при 0,2 < Re < 150), предложен также аэродинами- ческий метод определения эффективного размера волокон 27. Так 59
как коэффициент сопротивления волокна при Re >• 1 весьма сложно зависит от числа Re (см. рис. 1.26), то в любой точке кри- вой CD = f (Re) можно принять, что CD (Re) = C^-Re", где CD — отрезок, отсекаемый касательной, проведенной к кривой Рис. 1.28. Зависимость коэффициента сопротивления волокнис- тых фильтров от их плотности по данным различных авторов: 1 — уравнение (1.100); 2 — уравнение (1.92); 3 — уравнение (1.98); 4~ уравнение (1.96); 5 — уравнение (1.97); 6 —уравнение (1.91). Уитби 27 показал, что кривая кр/и2 = f (и) в рабочей точке будет иметь тот же наклон (рис. 1.29), что и функция CD (Re), т. е. Ар Ifi ~ k*u (1.101) где k$ — отрезок, отсекаемый на оси ординат касательной, про- веденной в рабочей точке при и = 1 см!сек. 60
Эффективный диаметр волокон в фильтре 2аэф определяется по уравнению 2^ = I 6,5-(1 Н-ЗОа)1^1-"’ е-10—2 (1.102) у Яф•рв у где /гф — отрезок, отсекаемый касательной на оси L^p/u2 при и = 0,01 м/сек-, Q = p(i+n)/(i—я)р,я/я-1 — поправка, учитывающая свойства газа. Величина 6 при t = 24° С и давлении 740 мм вод. ст. (рис. 1.30), a CD — по графику определяется по графику (рис. 1.31). Пример определения эффек- тивного диаметра волокон. Фильтр из стеклянных волокон имеет следующие характери- стики: 2а = 10 мкм, а = 0,0304, рв = 2340 кг/м8, Н = 3,3 10' Зл; Щф = 2,35’10-1 кг/м?. Рабо- чая скорость фильтрации — 0,21 м/сек. Определить эффек- тивный диаметр волокна. На основании эксперимен- тальных измерений сопроти- вления фильтра при различных скоростях получены следующие данные: Рис. 1.29. Кривая зависимости hplu2 от скорости газа для стекловолокни- стого фильтра. и, м/сек.............. 5-10“2 Др, нЛи2 (мм вод. ст.) . 19,6 2,0 == 1,0-10-1 2,1-10-1 21,6 33,5 2,2 3,4 4,0-10"1 7,0-10-* 66,0 139,0 6,7 14,2 9,81 • 105и2 (н'сек^1м* 8’10 3 2,2-10“3 7,75-10-4 4,23-10"4 2,9- 10"а Зависимость kp/u? = f (и), построенная по этим данным, при- ведена на рис. 1.29. В точке и = 0,21 м/сек, равной величине ра- бочей скорости, проводим касательную и определяем п и = АР 9,81-lO5^ ‘ п =.—у/х =---— я —0,90; = 1,2 • 10~2. Из рис. 1.30 определяем 6, которая равна 0,0125, а из рис. 1.31 — C"D, которая равна 6,2. Подставляя в уравнение (1.102) найденные значения, получаем: 2аЭф= Ю 2 6,5-Ю’2 6,2-2,35-IO'1 1,2-10-2-2,34-103 1/1,9 X (1 + 30-0,ОЗО4)1/1-Э.о,0125 = 8,82- Ю"*6 м или 8,82 мкм 61
Полученное значение 2пэ4, используется при расчете эффектив- ности фильтров для определения g по уравнению (1.40): 4-0,0304-3,3-IO'3 3,14-8,82-10"6 ~14-5 Пример расчета сопротивления фильтра. Определить сопро- тивление фильтра, характеристики которого приведены в предыду- щем примере, по уравнениям (1.96)—(1.100). Используя график рис. 1.28, определяем значения для всех уравнений при Рис. 1.30. Зависимость 0 от —п. Рис. 1.31. Зависимость CD от —п для цилиндра. При расчете Др по уравнению (1.97) получаем: . 0,21-1,81-10“Б-3,3-10-з . О1П_, „. с . Др = ------ 26-Ю-м----------4,9-10 2 = 24,6 н/л2 Ниже приводятся данные, полученные при расчетах по соот- ветствующим уравнениям: Уравнения . (1.97) (1.98) (1.96) (1.92) (1.100) -=^--102 . . 4,9 5,4 6,0 8,5 9,0 Др, н/м2 . . 24,6 27,1 30,5 42,6 45,1 Значение Др, определенное экспериментально, составляет 33,5 н!м2 (3,42 мм вод. ст.). Таким образом, для данного достаточно однородного фильтра наиболее близкие и более точные результаты получаются при ис- пользовании уравнения (1.96), по которому Др = 30,5 н/м2 (3,1 мм вод. ст.). 62
СОПРОТИВЛЕНИЕ И КОЭФФИЦИЕНТ ПРОСКОКА ФИЛЬТРОВ Рис. 1.32. Зависимость логарифма коэффици- ента проскока К от перепада давления на фильтрующем матери- але. Если сравнивать совершенно одинаковые по структуре фильтры, отличающиеся только толщиной, то из основного закона послой- ной фильтрации [уравнение (1.41) 1 следует, что для монодисперс- ного аэрозоля зависимость 1g К от Др выражается прямой линией (рис. 1.32) и для двух таких фильтров равной толщины можно записать Кг = л£₽1/Др2 = (1.103) Из этого уравнения следует: —lg К1/&Р1 = —Ig’TG/Aj^ = const (1.104) т. е. отношение 1g Д7Др, показывающее величину проскока на единицу сопротивле- ния фильтра, для данного фильтрующего материала является постоянной величиной и может служить характеристикой качества фильтрующего материала. Это отношение на- зывают коэффициентом фильтрующего дейст- вия и обозначают аф. д: __ lg(/C/100) _ 2 4-lgl/K _ 2- 1gЛ д Ар Др Ар (1.105) где /< выражено в процентах, а сопротивле- ние в мм вод. ст. Чем больше аф_ д, тем меньше проскок Д для данного фильтра при заданном сопротивлении. Однако это справедливо только при данной скорости фильтрации и для монодисперсного аэрозоля с определенным размером частиц, т. е. когда осаждение частиц происходит по одному из механизмов. Формула для определе- ния аф. д хорошо подтверждается экспериментально для волокон различных диаметров и плотностей упаковки (а = 0,001—0,2) ма- териалов, работающих в одинаковых условиях применительно к аэрозолям с частицами субмикронного размера. С уменьшением плотности упаковки материала ссф д увеличивается, так как Д в этом случае растет, а Ар уменьшается, поэтому более рыхлые фильтры обладают лучшими фильтрующими качествами. Анализ уравнения (1.104) для фильтров, в которых улавливание частиц происходит в результате преобладающего влияния одного из трех основных механизмов осаждения, показывает следующее: а) для фильтров, работающих в диффузионном режиме, аф. д увеличивается с уменьшением скорости фильтрации, плотности упаковки волокон и размеров частиц, а также с ростом диаметра волокон; 63
б) для фильтров, в которых улавливание частиц происходит в результате касания, аф д увеличивается при снижении скорости фильтрации, увеличении размера частиц и плотности упаковки и мало зависит от диаметра волокон; в) для фильтров, работающих в инерционном режиме, при условии, что Др = f (и), а к]" t = f (и2), аф увеличивается с ро- стом плотности упаковки, скорости фильтрации и особенно резко при укрупнении частиц; если Др = f (и2) (для высокоскоростных фильтров), то Цф. д может незначительно снижаться при увеличе- нии скорости или оставаться постоянным. Основные закономерности изменения К и Др, приведенные выше, используются при выборе и конструировании волокнистых фильтров, для удовлетворения предъявляемым к ним требованиям в конкретных условиях эксплуатации. Эта задача достаточно труд- ная, так как Др и К зависят от одних и тех же параметров, влия- ние которых противоположно; только при уменьшении скорости потока можно добиться снижения величин проскока К и сопро- тивления Др. На практике снижение удельной скорости фильтрации дости- гается только вследствие увеличения поверхности фильтрующего материала при данных объемных габаритах фильтра. В то же время развертывание поверхности позволяет значительно увеличить пы- леемкость в пересчете на единицу объема фильтра. Используя тонкие волокна, получают фильтрующие материалы небольшой толщины, удобные в конструктивном отношении. Однако разверты- вание фильтрующей поверхности ведет к увеличению стоимости фильтров из-за применения дорогих, материалов; кроме того, ус- ложняется их герметизация. Важное значение имеет создание одно- родных материалов с равномерным распределением волокон в объ- еме материала. Весьма эффективной мерой, с точки зрения увеличения пыле- емкости, является разработка фильтрующих материалов с про- грессивно увеличивающейся по толщине плотностью. Для создания фильтрующих материалов с высоким значе- нием Цф. д большое значение имеет использование электростати- ческих механизмов осаждения частиц. Однако решение этой про- блемы, как указывалось ранее, связано с значительными трудностями сохранения зарядов и поддержания оптимальных условий эксплуатации фильтров с наложенным электрическим полем. Если габариты фильтра не лимитируются и требования высокой пылеемкости особенно важны, варьируют глубиной слоя и плот- ностью упаковки; обычно предусматривают послойное расположе- ние волокон разного диаметра (высокоэффективные фильтры долго- временного пользования). При конструировании волокнистых фильтров необходимо пред- варительно детально изучить структуру слоя (распределение во- 64
локон но размеру, возможность получения однородной укладки и необходимой плотности упаковки и т. д.), а также свойства аэро- золя, подвергаемого очистке. РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ Расчет фильтров сводится к установлению основных параметров слоя из имеющихся волокон или волокон, специально подобранных для снаряжения фильтра, а также к определению условий его экс- плуатации, с тем чтобы фильтр удовлетворял предъявляемым к нему требованиям по эффективности, сопротивлению, пыле- емкости и габаритам. Наиболее сложно определение кривой фрак- ционной эффективности; при разработке высокоэффективных филь- тров основное внимание уделяется только максимальному значе- нию К на кривой. Для улавливания частиц определенного размера, например бактерий при стерилизации воздуха, расчет фильтра ведется по частицам размером 1 мк.м. Ниже в качестве примера приводится расчет четырьмя методами фракционной эффективности осаждения частиц в фильтре из стеклянных волокон. (Расчет промышленного фильтра по монодисперсному аэрозолю помещен в гл. VII.) Исходные данные Диаметр стеклянных волокон фильтра 2я, мкм . . 10 Толщина слоя волокон Н, м .......... ... 3,3-10 s Плотность волокон рв, кг/м?........... . . 2,34-10s Плотность упаковки слоя а............. ... 3,04-10 2 Масса слоя /Пф, кг/ж2........ 2,35-10 1 Скорость фильтрации и, м/сек 0,21 Вязкость воздуха у, н-сек/м? .... . . 1,81 • 10 й Плотность частиц аэрозоля рч, ks/ms ........... 1,0-103 Экспериментально определенное значение сопроти- вления Дрэк, н/м2 .... ............. 33,5 1. Расчет фракционной эффективности по методу Девиса16. Для определения эффективности фильтра этим методом необхо- димо знать эффективный диаметр волокон аэф, который подсчиты- вают по уравнению (1.48), суммарную эффективность для единич- ного волокна, а также коэффициент проскока фильтра, который определяется по уравнению (1.38). В табл. 1.1 приведены размеры частиц, их коэффициенты диф- фузии и безразмерные параметры захвата (соответственно для основных механизмов осаждения) в области максимального про- скока, необходимые для расчета, а также конечные значения Д и ц для частиц различных размеров. 5 В. Н. Ужов 65
В соответствии с исходными данными эффективный диаметр во- локон аЭф составляет (в мкм): „Ч 17,5р.и/7 ..1.5 /, । со„1.5\ °.ф-—р,к “ (1 + 52“ ) = - '7-5,1,8'' ‘У 3'3' иг‘ °’03M1'5 °+52 °'03041'51 - |о~'г аэф = 6,66 мкм Суммарная фракционная эффективность ч" рассчитывается для каждого размера частиц, помещенного в табл. 1.1. Ниже при- водится расчет для частиц размером 2г = 3-10”6 м: Чх = [Я + (0,25 + 0,47?) (St + 2Д) — — 0,0263 (St + 2Д)2] (0,16 + 10,9а — 17as) = = [2,25. IO-* + [о>25 + 0,4 2,25- 10~i) (в,75-10“* + ~ -0,0263 (8,75-10-1 + g X X [0,16 + 10,9-3,04-10-2 — 17 (3,04- Ю’2)2] = 0,246 Зная величины «эф и ц", определяют 1g /< о 0,43-2-3,04-10-2-3,3-10“3 2,46-10-1 3,14-6,66-10-в*-0,97 -0,95 К = 8,9% 4 = 91,1% Для частиц других размеров, указанных в табл. 1.1, расчет про- водится аналогично. Данные для расчета по методу Девиса ТАБЛИЦА I.I Диа- метр частиц 2г, м D, мг/сек R=r/a Чаи Pe—D~ St n's К. % В, % 1 10-’ 6,82-10-1° 7,50- IO-3 4,06-1О3 9,70-10-4 3,75-IO’3 97,0 3,0 ЗЮ"7 1,12-10-ю 2,25-10-2 2,47-104 8,75-10-s 1,09-10-2 90,0 10,0 6-Ю’7 4,35-10-11 4,50-10-2 6,37-104 3,50 10-2 2,58-10-2 77,5 22,5 1-10-6 2,74-10-и 1,50-10-2 1,0 -106 9,70-10-2 4,97-10-2 61,5 38,5 3-10-е 7,60-Ю"12 2,25-10-1 3,64-105 8,75-10-1 2,46-10-1 8,9 91,1 5-10-6 4,80-10-12 3,75-10-1 5,76-106 2,43 6,28-10-1 0,24 99,8 66
2. Расчет фракционной эффективности фильтра по методу Фридлендера—Уитби22 , 27,45. При расчете этим методом для определения т]" используют уравнение (1.56), к которому добав- ляется член 0,075St1,2 (для учета инерционного захвата); т] фильтра рассчитывают по уравнению (1.39) с использованием значения 2с?Эф, определенного по уравнению (1.102). В табл. 1.2 приведены значения параметров, необходимых для расчета, а также искомые значения величин для каждого размера частиц. ТАБЛИЦА 1.2 Данные для расчета по методу Фридлендера—Уитби Диаметр частиц 2г, м К Ре St ’4 К, % Ч. % 1-ю-7 0,01 3,08-103 1,29-10“ 3 6,18-10-3 91,5 8,5 3-10-’ 0,03 1,87-104 1,16-ю-2 2,60-10-3 96,0 4,0 6-10-’ 0,06 4,82-104 4,64-10-2 4,42-10-8 94,0 6,0 1-10-6 0,10 7,66-104 1,29-10-1 1,40-IO” 2 82,0 18,0 З-10-e 0,30 2,76-105 1,16 1,51-10-1 11,8 88,2 5-10-6 0,50 4,37-106 3,22 4,54-10-1 0,148 99,8 Для частиц размером 2r = 3-10-6 м суммарная фракционная эффективность равна: = 1,3 Ре“2/3 + 0,7А2 + 0,075St1>2 = 1,3 (2,76-105)-2/3 + + 0,7 (3-10-1)2 4-0,075-1,161’2 = 0,151 Для частиц этого же размера 1g К равен: 0,43-4a/7i^ 9 0,43-4-3,04-Ю-з-3,3-10’3 lgA~2 л2а(1— а)-2 3,14-8,82-10“« (1 — 0,0304) = 2 —6,24т)2 = 2 —6,24-0,151 = 1,07 К =11,8% т] = 88,2% Для частиц других размеров расчет проводится аналогично. 3. Расчет фракционной эффективности фильтра по методу Торжесона . При расчете этим методом для определения г|2 используют уравнение (1.49), причем T]^_j_st рассчитывается по уравнениям (1.50) и (1.51), а т]д — по уравнению (1.52). Значение функции В (А!) находят из графика рис. 1.10, а функции А рас- считывают по уравнению (1.53). Значение фактора CnRe/2 опре- деляют по уравнению (1.54) на основе экспериментального значе- ния сопротивления фильтра. Во всех уравнениях используется геометрический размер волокон 2а — 10 мкм. 5* 67
В табл. 1.3 приведены значения параметров, необходимых для расчета, а также искомые величины для каждого размера частиц. Данные для расчета по методу Торжесона ТАБЛИЦА 1.3 Диаметр частиц 2г, м ^R ’Ifl-I-St А 1-Ю-7 3-10"7 6-10-’ 1-10“6 3-10~6 5-Ю-6 3,52-10-4 1,83-10-3 5,17-10-3 1,11 • ю-2 5,77-10-s 1,24-Ю-1 м со СЧ н н О О О О О О »—< г—« < т—< т—Н 1—Ч ООО ю сч о ю С© QO CD CQ CN О? of of СО 1,28-10-2 4,44-10-3 2,50-Ю-3 1,93-10-3 8,85-IO’4 6,72-10-1 1,0007 1,0154 1,1046 1,368 8,020 26,40 Диаметр частиц 2г м м В (М) К, % Ч. % 1-Ю"7 3-10“7 6-Ю"7 1-10-6 3-10-6 5-IO"8 2,10 2,0-10 1,84-102 1,65-103 9,39-104 5,3-10® 1,2 1,4 1,6 1,9 1,64-10-2 8,50-10-3 1,17-10-2 2,30-10-г 1,57-10-! 4,76-Ю-1 81,0 89,6 86,0 74,7 13,7 0,24 19,0 10 4 14,0 25,3 86,3 99,76 В начале расчета определяют значение фактора СдВе/2: CpRe _ лд2 дРэк 314*. 5а. 10-12.33 5 2 ~ ap.Hu ~ 0,03041,81- 10-8-3,3-10~3-0,21 ’ Затем рассчитывают коэффициенты захвата для каждого механизма осаждения, например для частиц размером 2r = 1 • 10“6 ж: а) коэффициент захвата касанием [по уравнению (1.51)]: 4«= 0,0518 Я1,5 = 0,0518-6,8-0,11’5 = 1,11 -10~2 б) коэффициент захвата касанием с учетом инерционного оса- ждения [по уравнению (1.50)1: — 9 ц [1 + R 1,5 St (0,25 + 0,4R)J — = 1,11-Ю-2 [1 +0,l-1'S-l,2&-.10~1 (0,25 4- 0,4-0,1)] =0,0242 в) коэффициент захвата диффузией [по уравнению (1.52)1: / c"Re \0,4 ^ = 0,75 I —-----I Ре-0-6 = 0,75-6,80-4 (7,66-Ю4)-0'6 = 0,00193 68
Для расчета суммарного коэффициента захвата т]'^. первона- чально определяют значения параметров А по уравнению (1.53): /с"Рр\0-6 г ic” Ре \°-4 А = 1 4~0,025(—=—) PeO.est 0,25 4-4,74 ) X х Ре—mJ = 1 4-0,025-6,80.6 (7,66-1О«)о.б. 1,29-10-1 х [0,25 4- 4,74 -6,8-0.4 (7,66-104)-0.4] = 1,368 Значение В находят из графика рис. 1.10 после расчета величины М по уравнению (величины R и Ре приведены в табл. 1.2): d' Re М = —-------R2-5 Ре = 6,8-0,12,6.7,66-ю4 = 1,65-103 В(Л4) = 1,9 (по графику рис. 1.10) Суммарный коэффициент захвата т]" составит: т1х — 0,75r]gf_|_^ 4“ — 0,75 0,0242 4~ 4- 1,368-1,9-0,00193 = 0,023 Коэффициент проскока фильтра рассчитывают по уравнению (1.38): 0,86-a/ft]£ 0,86-3,04-10_2-3,3-103-2,3-10~2 1g К = 2 — _а)а = 2 — 3,14(1 —0,0304)-5-10 ~6 ~ Ь8 4 К = 74,7% г; = 25,3% Для частиц других размеров расчет проводится аналогично. 4. Расчет фракционной эффективности фильтра по методу Кирша, Стечкиной и Фукса30 Б3, в4. При расчете этим методом коэффициенты захвата частиц отдельными волокнами в «веерной» модели фильтра определяют по уравнениям (1.57)—(1.62), а фрак- ционную эффективность реального фильтра с учетом его неодно- родности рассчитывают по уравнениям (1.63)—(1.66). Во всех уравнениях принимается геометрический размер волокон 2а = = 10 мкм. Данные расчетов приведены в табл. 1.4. ТАБЛИЦА 1.4 Данные для расчета по методу Кирша, Стечкиной, Фукса Диаметр частиц 2г, м В ^R ”Д4-Я В ^St К. % ч, % 1-Ю-7 — 1,29-IO”2 7,5-Ю-4 5,7-10~7 1,4-10-2 88,3 П,7 ЗЮ-7 — 3,81-10-3 5,8-10—4 4,3-IO-7 3,8-10-3 96,6 3,4 6 10~7 3,24-10-3 2,03-10-3 5,8-10~4 6,3-ю-6 5,8- IO”3 95,0 5,0 1 -10—6 8,10-10-3 1,49-10-3 6,5-10-4 4,7-10-3 1,5-10—2 87,0 13,0 3-10—6 5,67-10-2 6,5-10—4 9,4-10-4 2,8-10-1 3,4-10”1 4,5 95,5 5-10-6 1,54-10-1 4,7-10—4 8,3-IO-4 1,92 2,07 1.8-10-7 —100 69
Ниже приводится расчет для частиц 2г = 1-10“6 м. При рас- чете этим методом предварительно определяют гидродинамиче- ский фактор kr’. kr = — 1,15 1g а — 0,52 = — 1,15 1g 0.0304 — 0,52 = 1,23 Затем рассчитывают коэффициенты захвата для каждого механизма осаждения: а) коэффициент захвата касанием [по уравнению (1.59)]: Vr = (2/д)-1 [(1 + Rr1 - (1 + Я) + 2 (1 + J?) In (1 + 7?)] = = (2-1,23}—1 [(1 + 110-1)"1 — (1 + 1-10-1) + + 2(1 + 1-10-1) in (1 + 1-10-1 )] = 8,1-16—3 С) коэффициент захвата под влиянием диффузии (по уравне- нию 1.58): т]д = 2,9*71/3 Ре-2/3 + 0,624 Ре-1 =2,9-1,23-1/3 (7,66-104)“2/3 + + 0,624 (7,66-10-4)-! = 1,49-10-3 в) коэффициент захвата под влиянием диффузии с учетом эф- фекта касания [по уравнению (1.60)]: = 1 24&7°’5 Ре“0,5 Я2/3 = 1,24-1,23“° 5 (7,66-104)“°-5 х X (1-1Q—1)2/з = 6,5-10—4 г) коэффициент захвата под влиянием инерции [по уравне- нию (1.61)] с предварительным определением значения величины I [по уравнению (1.62)]: 7 = '29 6 — 28<х0,62) R2 _ 27,577- 8 = (29,6 — 28-0,03040,62) х X (1 IO-У — 27,5 (1 • IO-1)2'8 = 2,22- 10“1 4st = (Ч)-2 1 St = (2-1 >23)~2 • 2-22‘10-1 • 1.29- IO”1 = 4,7-10“3 Суммарный коэффициент захвата, определяемый по уравне- нию (1.57), составит: ’ll = Лд + + Чд-i-j? + ’lit = 1.49-10-3 + + 8,1-10—3 + 6,5 10“4 +4,7-10—3 = 1.5-10-2 Для расчета коэффициента проскока фильтра определяют си- лу Гв, действующую на единицу длины волокна в модельном фильтре [по уравнению (1.35)], и такую же силу, действующую в эеальном фильтре [по уравнению (1.65)]; коэффициент не- однородности фильтра в, представляющий собой отношение этих величин, определяют по уравнению (1.63): _ 4л 4-3,14 ^в— — — 1,15 1g а —0,52 ~ —1,15 1g 0,0304 — 2,52 10,1 _ Дрэкпа2 _ 33,6-3,14-5М0-12 /'ф- ацНи ~ -------9-------ч------ч----= 6-95 3,04-Ю-2.1,81-10 ’5.3,3-10-3.0,21 e_2L_12J_-i43 Дф — С 95 ’ Коэффициент проскока фильтра, рассчитанный по уравнению (1.36), составит: , „ п п О- В о 0,87 3,04-1Э~2-3,3 10-3-1,5-10-2 , п. 1g К. = 2 — 0,87аНт^лаь = 2___________________- --------= 1,94 3,14-5-КГ"6-!,43 т] = 13% К = 87% Для частиц других размеров расчет проводится аналогично. Расчетные кривые фракционной эффективности и эксперимен- тальные данные, полученные рис. 1.33. Из рисунка видно, что расчеты пс методам Кир- ша, Стечкиной, Фукса и Фридлендера — Уитби дают наиболее близкие результаты, довольно хорошо согласую- щиеся с эксперименталь- ными данными Уитби. По ме- тоду Девиса (для Re = 0,2) расчетные данные отличают- ся от экспериментальных. Несмотря на то, что расчет- ные кривые эффективности фильтра не могут заменить экспериментальных измере- ний, тем не менее по часто можно получить статочную информацию выбора фильтра или конструирования Установлено27, что т] >90% расчетные значе- ния получаются завышен- ными по сравнению с экспе- риментальными. Это объясняется тем, что при высокой эффек- тивности проскок аэрозоля происходит в основном в дефектных местах фильтра. Для частиц крупнее 5 мкм теоретические значе- ния также обычно выше, чем реальные, так как при теоретических расчетах не учитывается отскок крупных частиц от волскна при скоростях выше С, 15—0,2 м/сек. ним до- для его при Рис. 1.33. Расчетные кривые фракцион- ной эффективности фильтра по данным различных авторов: 1 — данные Девиса; 2 — данные Фридлендера; 3 — данные Торжесона; 4 — данные Кирша. Стечкиной и Фукса. Экспериментальные точки приведены по данным Уитби. ВТОРИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ АЭРОЗОЛЕЙ При длительном пропускании аэрозолей чергз большинство фильтрующих перегородок эффективность осаждения и перепад давления изменяются во впемени. Структурные изменения, про- 70 71
Рис. 1.34. Накопление частиц дыма окиси магния в волокни- стом фильтре. исходящие в фильтрах, в отдельных случаях проходят медленно, но чаще так быстро и настолько резко изменяют первоначальные значения /С и Др, что становятся определяющими параметрами работы фильтров п. Ниже рассматривается общий характер про- текающих вторичных процессов. Вторичные процессы в фильтрах могут быть вызваны различ- ными причинами. Радушкевич 11 предложил их классифицировать следующим образом: 1) соосаждение частиц в фильтрах; 2) капиллярные явления; 3) деструкция фильтров; 4) утечка или нейтрализация элек- трического заряда фильтров; 5) эффек- тивность столкновения частиц с во- локнами и 6) вторичный унос улов- ленных частиц из фильтрующих пе- регородок. Соосаждение. Уловленные твер- дые частицы распределяются на во- локнах фильтра неравномерно. По мере накопления вновь поступаю- щие частицы начинают осаждаться преимущественно на уже осажден- ных, образуя выступающие в сто- рону цепочки, которые постепенно развиваются, превращаясь в древо- видные разветвления и заполняя поры, как показано 94- 95 на рис. 1.34. Это явление способствует замет- ному росту эффективности фильтра, иногда при незначительном увеличении сопротивления. Явление соосаждения, называемое кольматацией, использовалось в про- тивогазовых ватных фильтрах, которые заполнялись саже- выми или другими дымами. При пропускании через тонковолок- нистый фильтр частиц размерами 2г = 0,6 мкм эффективность его увеличивалась 96 с 99,5 до 99,98%, т. е. выходная концентрация снизилась в 25 раз, при этом сопротивление возросло на 25 н/м? (2,5 мм вод. ст.). Полагают, что при кольматации происходит сгла- живание неоднородностей в структуре фильтрующего слоя, за- полнение агрегатами частиц наиболее крупных пор; цепочные агрегаты образуются вследствие наличия электрических зарядов на частицах. При длительной фильтрации аэрозолей или при высокой кон- центрации частиц этот процесс приводит к образованию на поверх- ности фильтрующего материала сплошного слоя пыли, свойства которого начинают играть основную роль при эксплуатации филь- тров, особенно тканевых. Забивание фильтрующих материалов пылью влияет на срок службы нерегенерируемых фильтров. 72
Рис. 1.35. Зависимость сопротивле- ния от пылеемкости высокоэффек- тивного фильтра (всего образца) для различных аэрозолей (производитель- ность фильтра — 0,425 ти3/се/с; кон- центрация пыли — 0,05 мг/м3): 1 — частицы NaCl размером 0,5 мкм’„ 2— частицы кварцевой пыли размером 2,0 мкм} 3 — частицы кварцевой пыли размером 5,5 мкм. Массу уловленных частиц аэрозоля обычно относят к единице площади фильтрующего материала, называя эту величину п ы - леем костью или загрузкой фильтра. Удобнее вместо массы определять объем уловленных частиц, так как при этом можно сравнивать пылеемкость фильтров по частицам с различной плот- ностью 61. Объем частиц, накопленный при заданном увеличении Ар в фильтре, сильно зависит от размера частиц (рис. 1.35). Напри- мер 96, при накоплении в фильт- ре из грубых стеклянных воло- кон 0,3 см3 частиц размером 2г = 0,5 мкм сопротивление увеличилось с 50 до 1200 н/м2, а эффективность с 50 до 99,9%; такое же увеличение сопроти- вления наблюдалось при нако- плении 0,7 ел/3 частиц размером 2гм. в = 1,5 мкм. При накопле- нии в этом же фильтре 3,5 см3 частиц размером 2гы.в = =8 мкм сопротивление увели- чилось только ^до 150! н/м2 (15 мм вод. ст.). Высок око нцент р иров энные аэрозоли, которые обычно со- держат крупные монолитные частицы или агрегаты (в слу- чае субмикронных частиц), спо- собствуют накапливанию в филь- трующей перегородке более массивных пылевых слоев при не- значительном увеличении сопротивления. При высоких скоростях образуются более плотные осадки. Характер изменения т] и Ар фильтров обусловливается струк- турой образующегося пылевого осадка, которая определяется размерами волокон, состоянием их поверхности, пористостью слоя, скоростью фильтрации и когезионными свойствами частиц пыли, зависящими в свою очередь от их размера и формы, наличия на них электрических зарядов, от гигроскопичности пыли и влаж- ности воздуха. Коэффициент захвата волокном с осажденными на нем части- цами определяется уравнением м: Ъг = + шг” (1.106) где а— коэффициент накопления, характеризующий площадь за- хвата частиц осажденными ранее частицами, м2 на 1 ча- стицу; z' — число частиц, осажденных на 1 м2 поперечного сечения волокна, перпендикулярного потоку. 73
Величина и в начале процесса накопления почти постоянна, но затем медленно убывает по мере накопления 94' 97 98. В началь- ной стадии накопления эффективность улавливания за счет со- осаждения в фильтрах из грубых волокон (2а = 10—30 мкм) выше, чем на самих волокнах 98. Изменение коэффициента проскока волокнистого фильтра при накоплении в нем пыли Kq определяется уравнением 94- 97~": Kq = (I 107) где /Со — проскок для незапыленного фильтра; q' — количество частиц, накопленных на единице псвеох- ности фильтра, частиц/м2. q' — un^isx (1.108) где п0—входная частичная концентрация; f] — средняя эффективность фильтра за время Дт при и = = const. Для фильтров из волокон размером 2а = 10 мкм и частиц раз- мером 2г = 1,3 мкм и составляет95 98 0,5—1,8-10~13 а2 на 1 частицу. Изменение сопротивления фильтра в начальной стадии накоп- ления пропорционально количеству осажденных частиц и коэф- фициенту сопротивления отдельной частицы 94 g4 Др2 — дщ = (1.109) Коэффициент сопротивления уловленных частиц зависит от плотности упаковки а фильтра. Например g4 = 33g. для фильтра из волокон размером 2а = 10 мкм при и = 0,13—1,4 м/сек и 0,007 <сс <0,035. Так как накопление q' является функцией скорости 1см. урав- нение (1.109)], то увеличение сопротивления при увеличении ско- рости фильтрации запыленного потока пропорционально квадрату скорости. Из этого следует, что при увеличении поверхности филь- трации вдвое срок службы фильтров удлиняется примерно в 4 раза. Обычно в начальный период работы фильтров возрастание сопро- тивления пропорционально объему уловленных частиц, а кривые зависимости Др от объема уловленных частиц (или от времени при п0 и и — const) представляют пр ямые линии. Сднако к концу срока службы наблюдается быстрое повышение сопротивления при не- большом увеличении объема уловленных фильтром частиц (рис. 136). Для объемных фильтров тонкой очистки, состоящих из смеси шерсти или хлопка с асбестом, при низких скоростях фильтрации получена следующая эмпирическая зависимость изменения сопро- тивления при пропускании аэрозоля сажи 61: Др = Дрое-*'г“О,5Д1; (1.110) где kr — коэффициент, зависящий от распределения частиц сажи по размерам и природы материала. 74
Экспоненциальный характер роста кривых Др = f (q) иногда связан со структурными изменениями в слое уловленных частиц, т. е. с явлением самоуплотнения слоя пыли при движении газа. Вид этих кривых в значительной мере зависит от соотношения между размером пор фильтрующего материала и величиной аэро- зольных частиц. В литературе100 описаны четыре разновидности этих кривых, полученных при следующих условиях: 1. Если частицы не проникают в поры фильтра, то наблюдается равномерный прямолинейный рост сопротивления с момента на- д, г/пг Рис. 1.36. Зависимость эффективности и сопротивления фильтрующего материала от пылеемкости (диаметр волокон 30 мкм, высота слоя волокон 77=5,1-1(Г2 м, и = 0,125 м/сек, а = 0,041, 2^ - 0,5— 0,6 мкм). 7 Рис. 1.37. Зависимость сопроти- вления от пылеемкости для раз- личных фильтрующих материа- лов: 1 — тонкопористый; 2 — объемный; 3 — плотный; 4— материал с пора- ми различной величины. чала забивания. Такая зависимость характерна для мембранных или тонкопористых керамических фильтров при улавливании круп- ной пыли и отсутствии в ней субмикронных частиц (кривая 1 на рис. 1.37). 2. При накоплении пыли главным образом в глубине фильтрую- щего слоя зависимость Др = f (qr) выражается кривой 2 (рис. 1.37). Такая зависимость характерна для объемных рыхлых материалов, которые наиболее целесообразны с точки зрения продления сроков службы фильтров. 3. Для плотного материала зависимость Др от q' имеет вид кривой 3 (см. рис. 1.37). Вначале поры фильтра быстро забиваются, а затем рост сопротивления пропорционален толщине слоя пыли. 4. Если поры фильтра неодинаковы по величине, зависи- мость Др от q' выражается кривой 4 (см. рис. L37). Вначале за- полняются крупные поры, а затем мелкие. В дальнейшем уже на поверхности образуется равномерно увеличивающийся слой частиц и сопротивление изменяется по линейному закону. Скорость воз- 75
растания |Лр зависит от относительной влажности воздуха (рис. 1.38) и концентрации поступающих частиц 101. Положительная роль ворса на поверхности плотного мате- риала 102 иллюстрируется рис. 1.39. Рис. 1.38. Изменение скорости возрастания сопротивления сеточных фильтров в зависимости от относительной влажно- сти воздуха: а — начальная стадия фильтрации; б — завершающаяся стадия фильтрации. Капиллярные явления11*103. Эти явления имеют важное зна- чение при фильтрации туманов и представляют собой сложный процесс, включающий: а) растекание осевших капелек с последую- Рис. 1.39. Зависимость Др ит] бумаж- ного фильтра от его пылеемкости: 1 — фильтрующий материал с гладкой по- верхностью; 2 — фильтрующий материал с ворсом. щим слиянием их в более крупные капли или с образо- ванием пленки жидкости на волокнах; б) скопление жидко- сти в местах скрещивания во- локон, причем воздействие ту- манов малолетучих жидкостей (масла) на слой более сущест- венно, чем полное вымачивание слоев в воде с последующей сушкой; в) капиллярная конден- сация паров воды в местах кон- такта уловленных частиц с во- локном или друг с другом; г) слипание соседних волокон вследствие действия капилляр- ных сил при смачивании воло- кон, что ведет к исчезновению мелких волокон в недостаточно жестких фильтрах и образова- нию более крупных промежут- ков и к повышению неоднородности структуры слоя. В результате действия капиллярных сил существенно изме- няется строение волокнистых или зернистых фильтрующих слоев и возрастают величины Д и Др. 76
Деструкция фильтров. Разрушение фильтров может быть вызвано воздействием на волокна химически активных паров или жидкостей, набуханием или растворением волокон в различных растворах или органических жидкостях. Повышение температуры может вызвать плавление или возгорание фильтрующих мате- риалов. Потеря электрического заряда. В условиях пропускания через фильтры с заряженными волокнами некоторых аэрозолей (тумана масла, воды, растворов) происходит нейтрализация элек- трического заряда, сопровождающаяся резким уменьшением эф- фективности. Утечка зарядов с таких фильтров наблюдается при облучении их рентгеновскими лучами, пропускании влажного воздуха и ионизированного газа, а также в результате накопления осадка радиоактивной пыли. Эффективность столкновения частиц с волокном. Процесс осаждения частиц на волокнах-препятствиях включает в себя две стадии — приближение частицы к поверхности препятствия и при- липание к ней. В теории стационарной фильтрации рассматри- вается первая стадия и допускается, что все частицы, соприкоснув- шиеся с поверхностью волокон, удерживаются на них и считаются уловленными. Действительно, эффективность соприкосновения ча- стиц величиной порядка 0,1—1 мкм, осаждающихся в основном вследствие диффузии и эффекта касания на волокнах, размер которых больше диаметра частиц, весьма близка к единице 2. Однако более или менее крупные частицы могут после столкнове- ния отскочить от поверхности волокна. Экспериментально уста- новлено, что для того, чтобы столкнувшаяся частица осталась на поверхности, она должна обладать определенной энергией. В ре- зультате неэффективных столкновений коэффициент захвата частиц на волокнах может быть заметно ниже теоретического. Методом скоростной киносъемки было установлено 104, что удар частиц о поверхность волокна может быть упругим, при этом пло- щадь контакта зависит от размера и свойств частиц, от скорости столкновения и угла встречи с поверхностью волокна. Отскок частиц связан с аэродинамическим сопротивлением частицы в по- токе, которое накладывается на эффект упругого столкновения. При малых скоростях сила аэродинамического сопротивления, увлекающего частицу, недостаточна для преодоления сил адгезии, действующих на расстоянии, а при высоких скоростях фактиче- ская площадь контакта частицы с волокном значительно больше, что обеспечивает более прочное прилипание. Для прочного удер- жания частиц необходимо, чтобы при упругопластичном столкно- вении энергия адгезии была больше, чем кинетическая энергия частицы после столкновения (иначе она отскочит), и в то же время, чтобы отрывающая сила аэродинамического сопротивления была меньше адгезионных сил. При этих условиях частицы при- липают. 77
Экспериментально также установлено, что при низких и вы- соких скоростях потока фактическая и теоретическая эффектив- ности осаждения частиц часто совпадают, однако в промежуточной области скоростей действительное осаждение может составлять около 50% от теоретического, при этом твердые и жидкие частицы уносятся потоком в точке контакта или вблизи нее 10В. Для квар- цевых частиц размером ~1 мкм отскок частиц от стеклянных во- локон возможен при скорости около 0,15 м/сек-, аналогичные зна- чения получены и другими исследователями 106 107. В фильтрах, покрытых липкими жидкостями, фактическая и теоретическая эффективности практически совпадают во всей ис- следуемой области скоростей. Существует эмпирическая зависимость минимальной скорости и (в м/сек), при которой обеспечивается прилипание кварцевых частиц к стеклянному волокну, от их диаметра (в мкм)-. 0,30 и< 2, (1-114) Вследствие сложности механизма столкновения частиц с по- верхностью волокон эффективность столкновения не может быть рассчитана даже в первом приближении. Следует отметить, что при столкновении пылевых частиц с по- верхностью улавливающих элементов на них возникают электри- ческие заряды, величина которых зависит от скорости потока и числа ударов 101>108. Унос уловленных частиц с поверхности волокон. Уловленные в фильтре частицы при дальнейшем пропускании газов могут быть оторваны от волокон и вынесены из фильтрующего слоя, особенно при повышении скорости фильтрации. Вероятность реализации этого явления зависит от величины адгезионных сил, действующих между частицей и поверхностью волокна, или когезионных сил, характеризующих взаимодействие между частицами пыли в слое или агрегате. Величина обеих сил зависит от размера, формы, химического состава, электрического заряда, микрогеометрии по- верхности частиц и волокон, от влажности воздуха, времени кон- такта и других факторов. В имеющейся литературе109-111 недоста- точно отражены закономерности проявления адгезионных и коге- зионных сил в фильтрах, поэтому только в некоторых случаях можно качественно судить как о величине сил, удерживающих частицы, так и об аэродинамических или других силах, способ- ствующих миграции или уносу уловленных частиц. Адгезия частиц к поверхности может возникать под действием молекулярных, электрических и капиллярных сил. Ввиду многообразия составляющих сил адгезии и резкой за- висимости их от истинной площади контакта суммарная сила при- липания частицы к волокнам может быть прямо или обратно про- 78
порциональна диаметру частиц, а иногда может и не зависеть от их размеров. Замечено, что при фильтрации субмикронных аэрозолей через слой волокон асбеста диаметром 0,04—0,08 мкм и скорости 0,005— 0,25 м/сек происходит сдувание уловленных частиц 2г = 0,04— 0,34 мкм, причем в основном более крупных. Этот эффект влияет на селективность осаждения и вызывает монотонное снижение эффективности по мере увеличения размера частиц 112. Рис. 1.40. Зависимость силы адге- зии от размера частиц при раз- ной скорости фильтрации (в л/сек): / — при насыпании частиц на волок- но; 2 — 0,28; 3 — 0,42; 4 — 0,63; 5 — 0,84; Fc0 — сила, при которой отрывается 50% частиц. Кварцевые частицы размером 10—12 мкм в сухих волокнистых слоях с высокой пористостью улав- ливаются хуже, чем более мел- кие 113. С увеличением размера частиц наблюдается возрастание коэффициента проскока. На кри- вых фракционной эффективности максимум проскока соответст- вует частицам с размерами 4 — 6 мкм 114. При увеличении относительной влажности за фильтрами наблю- дается образование большего коли- чества агрегатов и они крупнее, причем этому способствует склон- ность частиц к слипанию. Из более плотных фильтров уносятся более мелкие агрегаты, так как крупные при этом разрушаются. При осаждении кварцевых частиц размером от 5 до 15 мкм на поверхности полиамидных волокон диаметром 50 мкм происходит заметный срыв осажденных частиц с поверхности, не подвергав- шейся ранее запылению, при скорости воздуха 1—3 м/сек-, срыв достигает значительной величины при скоростях 3—5 м/сек, на- ходящихся за пределами скоростей, обычно применяемых в филь- трации. Полагают, что эффективность осаждения частиц с разме- рами 4—5 мкм зависит от адгезионной силы при первом сопри- косновении115. Абсолютная величина адгезионных сил возрастает с увеличе- нием размера частиц, особенно при высокой скорости воздуха (рис. 1.40). Однако было отмечено, что возрастает количество не- осажденных частиц размером более 5 мкм и наблюдается избира- тельное осаждение, обусловленное эффективностью столкновения частиц с поверхностью волокон. Такая сепарация частиц по раз- мерам подтверждает данные о том, что осадок на стенках газохода при высокой скорости потока обогащается более тонкими фрак- циями и является более прочным, чем слой, образующийся при малой скорости потока116. 79
Сепарация частиц по размерам обусловлена адгезионной спо- собностью частиц. Это видно из рис. 1.41, на котором показана за- висимость величины отношения адгезионной силы к массе частиц от их размера (2г). Для мелких частиц это отношение намного больше, чем для крупных. Для кварцевых частиц и полиамидного волокна влияние от- носительной влажности воздуха на адгезионные свойства не слиш- ком велико, — заметный рост прилипания происходит при <р = = 20—5С% (рис. 1.42). Для стеклянных и полиэфирных волокон Рис. 1.41. Зависимость отношения силы адгезии к массе частиц (Fso = F^/rn) от их размера при различной скорости фильтрации (в mJ сек): 1 — 0,28; 2 — 0,42; 3 — 0,63. Рис. 1.42. Зависимость силы адгезии кварцевых частиц диаметром 10,4 мкм от относительной влаж- ности воздуха для раз- личных волокон: 1 — полиамидное волокно; 2 — стеклянное волокно; *3 — полиэфирное волокно (и = 0,42 м/сек). адгезионные силы в интервале изменения влажности от 50 до 95% увеличиваются уже в 1,5—2,5 раза. Усиление адгезии связано с адсорбцией паров воды на поверхности волокон, набуханием полимерных волокон и изменением их эластичности. Известно109-111, что пластичность частиц и волокон играет большую роль при адгезии, так как в точке контакта под действием молекулярных сил происходит микросплющивание соприкасаю- щихся поверхностей. На рис. 1.43 показана требуемая скорость воздуха для сдувания с волокна 50% частиц разных размеров, оса- жденных при различных скоростях. Сдувание частиц3 размером 0,5—1,0 мкм с чистой поверхности толстых волокон нельзя достичь даже при скорости 200 м!сек. Эти опыты подтверждают, что для надежного осаждения частиц размером более 4—5 мкм при повы- шенной скорости необходимо обрабатывать волокна липкими ве- ществами. Следует отметить, что срыв частиц, контактирующих не с по- верхностью волокон, а с другими частицами, происходит гораздо 80
легче. Экспериментально доказано, что величина ускорения, тре- буемая для удаления частиц размером 2г = 100 мкм с чистой по- верхности, в 300 раз больше, чем с поверхности, покрытой моно- слоем частиц размером 2r = 1 мкм. Аналогичные результаты полу- чаются, если рассматривать удаление агрегатов с поверхности117. Так как число частиц на единицу поверхности пропорционально г2, а молекулярные силы в месте контакта пропорциональны г, то прочность агрегата обратно пропорциональна радиусу частиц г. Рис. 1.43. Зависимость скорости воздуха и', требующейся для сдувания с поверхности волокон Б0% частиц, от их размера при разных скоростях первоначаль- ного осаждения частиц (в м/сек)'. 1 — 0,28; 2 — 0,42; 3 — 0,63; 4 — 0,84. Рис. 1.44. Зависимость выдуваемости пыли из запыленного фильтра = = 250 г/м2) от скорости продувки и' (продолжительность продувки—20 лшн): 1 — стекловолокнистый сухой фильтр с во- локнами диаметром 30—100 мкм; 2—стекло- волокннстый промасленный фильтр с волок- нами диаметром 30—100 мкм; 3 — сухой фильтр из полиэфирных волокон диаметром 15—20 мкм. Следовательно, мелкие частицы могут образовывать более прочные и большие агрегаты, чем крупные частицы, и такие агрегаты легче удалять с поверхности в неразрушенном виде. Прочность агрега- тов, состоящих из крупных частиц, не содержащих в точках кон- такта более мелкие частицы, уменьшается. При продувании частично забитых пылью грубоволокнистых фильтров (сухих и промасленных) чистым воздухом из них выно- сится большое количество пыли (рис. 1.44). При скорости выше 2 м/сек выходная концентрация уравнивалась с начальной запы- ленностью. Заметное количество пыли уносилось уже при ско- рости 0,7 ж/сек118. Выше указывалось, что адгезионные силы зависят также от химической природы волокон и частиц. Согласно Дебройну, чем больше разница в способности контактирующих поверхностей сма- чиваться, тем хуже адгезия между ними. Подбирая соответствую- щие волокна с учетом свойств улавливаемых частиц или изменяя 6 В. Н. Ужов 81
свойства поверхности модификацией (гидрофобизацией), можно изменять адгезионные силы и тем самым управлять процессом ре- генерации фильтрующих перегородок. В водной среде силы адгезии частиц на несколько порядков меньше, поэтому промывка водой, растворами соды или поверх- ностно-активных веществ позволяет практически полностью очи- стить забитые пылью грубоволокнистые фильтры. ЛИТЕРАТУРА 1. Чен Ч., Успехи химии, 25, 368 (1956). 2. Ф у к с Н. А., Механика аэрозолей, Изд. АН СССР, 1955. 3. Фукс Н. А., Успехи механики аэрозолей, Изд. АН СССР, 1961. 4. D a v i е s С. N., Proc. 9th Intern. Conf. Ind. Medicine, London, 1948, 162 (1949). 5. Pich I., Theory of Aerosol Filtration by Fibrous and Membrane Filters, in «Aerosol Science», London, 1967. 6. D о r m a n R. G., in «Aerodynamic Capture Particles», ed. E. G. Richardson, Pergamon, 1960, p. 112. 7. L angmuir L, В 1 о d g e t t К. B., Am. Air Force Techn. Report 5418 (1946). 8. L u n d e К. E., L app 1 e С. E., Chem. Eng. Progr., 53, 385 (1957). 9. F r i e d 1 a n d e r S. К., A. I. Ch. E. J., 3, 43 (1957). 10. Радушкевич Л. В., ЖФХ, 40, 317, 965 (1966). 11. Радушкевич Л. В., Изв. АН СССР, сер. хим., 3, 407 (1963). 12. L a n g m u i r L, The Collected Works, v. 10, London, 1961. p. 394. 13. Л а м б Г., Гидродинамика, Гостехиздат, 1947. 14. К u w a b a r a S., J. Phys. Soc., Japan, 14, 527 (1959). 15. H u p p e 1 J., A. I. Ch. E. J., 5, 114 (1959). 16. Davies C. N., Proc. Inst. Meeh. Eng., IB, 185 (1952). 17. Davies C. N., Aylward M., Proc. Phys. Soc., B64, 889 (1951). 18. H а т а н с о н Г. Л., Коллоидн. ж., 24, 52 (1962). 19. A i b a S., H uni p hr ey A. E., M i 1 1 i s N.Z., Biochemical Engineering, New York, 1965. 20. E i n s t e i n A., Ann. Phys., 17, 549 (1905); 19, 371 (1906). 21. Whitby К. T., Dust, in «Encyclopedia of Chemical Technology», 2nd ed., v. 7, p. 429. 22. F r i e d 1 a n d e r S. K., J. Colloid a. Interface Sci., 23, 157 (1967). 23. H а т а н с о н Г. Л., ДАН СССР, 112, 100 (1957). 24. Л e в и ч В. Г., Физико-химическая гидродинамика, изд. 2-е, Физматгиз. 25. С т е ч к и н а И. Б., ДАН СССР, 167, 1327 (1966). 26. С т е ч к и н а И. Б., Фукс Н. А., Коллоидн. ж., 29, 260 (1967). 27. W h i t b у К. Т„ ASHRAE J., 7, № 9, 56 (1965). 28. М а у К. R., С 1 i f f о г d R., Ann. Occup Hyg., 10, 83 (1967). 29. A 1 b r e c h t F„ Physik. Z., 32, 48 (1931). 30. H а т а н с о н Г. Л., ДАН СССР, 116, 109 (1957). 31. Wong I. B., R a n z W. E., Johnstone H. E., J. Appl. Phys., 26, 244 (1955). 32. Wong I. B., R a n z W. E., J о h n s t о n e H. E., J. Appl. Phys., 27, 161 (1956). 33. L a n d a h 1 H. D., H e r r m a n n R. G., J. Colloid Sci., 4, 103 (1949). 34. S t а г r I. R., Ann. Occup. Hyg., 10, 349 (1967). 35. D a v i e s C. N., P e e t z C„ Proc. Roy. Soc., 234, 269 (1956). 36. Мазин И., Физические основы обледенения самолетов, Гидрометеоиздат, 1957. 82
37. Л е в и н Л. М., Исследования по физике грубодисперсных аэрозолей, Изд. АН СССР, 1961. 38. R а п z W. Е., Wong I. В., Ind. Eng. Chem., 44, 1371 (1952). 39. С т е ч к и н а И. Б., Кирш А. А., Ф у к с Н. А., Коллоидн. ж., 31, 121 (1969). 40. Thomas J. W., Yoder R. Е., АМА Arch. Ind. Health, 13, 550 (1956). 41. F r i e d 1 a n d e r S. K-, Ind. Eng. Chem., 50, 1161 (1958). 42. P а д у ш к e в и ч Л. В., ЖФХ, 32, 282 (1958). 43. Колганов В. А., Радушкевич Л. В., Сазанова В. Г., Изв. АН СССР, сер. хим., 12, 2725 (1966). 44. Т о г g е s о n W. L., General Mills. Inc. Minneapolis 13, Minnesota (1961). 45. F r i e d 1 a n d e r S. K-, P a s c e r e R. E., Canad. J. Chem. Eng., 38, 212 (1960). 46. Clarenburg L. A., Van der Wai I. E., Ind. Eng. Chem., Process Design a. Development, 5, 110 (1966). 47. Ф у к с H. А., Стечкина И. Б., ДАН СССР, 147, 1144 (1962). 48. S t e c h k i n a I., F u c h s N. A., Ann. Occup. Hyg., 9, 59 (1966). 49. К i г s h A. A., F u c h s N. A., Ann. Occup. Hyg., 10, 23 (1967). 50. Кирш А. А., Ф у к с H. А., Коллоидн. ж., 29, 5, 682 (1967). 51. Кирш А. А., Ф у к с Н. А., ПМТФ, 6, 101 (1966). 52. Кирш А. А., Ф у к с Н. А., Коллоидн. ж., 30, 836 (1968). 53. S t е с h k i n а I. В., К i г s с h A. A., F u с h s N. A., Ann. Occup. Hyg., 12, 1 (1969). 54. Кирш А. А., С т e ч к и н а И. Б., Ф у к с Н. А., Коллоидн. ж., 31, 227 (1969). 55. Натансон Г. Л., Ушакова Е. Н., ЖФХ, 35, 463 (1961). 56. Thomas D., L а р р 1 е С. J., Chem. Eng., 7, 203 (1961). 57. Р а д у ш к е в и ч Л. В., К о л г а н о в В. А., ЖФХ, 42, 971 (1968). 58. R a m s k i 1 1 E. A., A n d e r s о n W. A., Coll. Sci., 6, 418 (1951). 59. Haupt H., Chem. Techn., 18, 99 (1966). 60. Haupt H., Chem. Techn., 19, 408 (1967). 61. Dorman R., цит. по «Высокоэффективная очистка воздуха», пер. с англ., Атомиздат, 1967. 62. Р i с h I., В i n е к В., in «Aerosols», Proc. 1 st Nat. Conf. Aerosols, Prague, Oct. 8—13, p. 257 (1964). 63. Strauss W., Thring M. W., J. Iron Steel Inst., 196, 62 (1960). 64. Strauss W., Lancaster B. W., Atmosph. Envir., 2, 135 (1968). 65. Strauss W., T h r i n g M. W., Trans. Inst. Chem. Eng., 41, 248 (1963). 66. F i г s t M. W., Graham I. В., В u t 1 e г G. M., Walworth С. B., Warren R. P., Ind. Eng. Chem., 48, 696 (1956). 67. S t e r n S., Z e 1 1 e r H., S h e к m a n H., J. Colloid. Sci., 15, 546 (1960). 68. Петрянов И. В., Огородников Б. И., Сунцов А. С., в сб. «Радиоактивные изотопы в атмосфере и их использование в метеорологии», Атомиздат, 1965, стр. 419. 69. Огородников Б. И., Басманов П. И., в сб. «Радиоактивные изотопы в атмосфере и их использование в метеорологии», Атомиздат, 1965, стр. 403. 70. Kraemer Н., J ohnstone Н., Ind. Eng. Chem., 47, 2426 (1955). 71. Cochet R., Rev. Gen. Electr., 62, 113 (1953). 72. H а т а н с о н Г. Л., ДАН СССР, 112, 696 (1957). 73. L u n d g r e n D. A., W h i t b у К. T., Ind. Eng. Chem. Process Design a. Development, 4, 345 (1965). 74. G о у e r G. G., G r u e n R., L a M e г V. K., J. Phys. Chem., 58, 2426 (1955). 75. Wilson L. G., Cavanach P., Atmosph. Envir., 1, 261 (1967). 76. R о s s a n о A. T., Sil verm an L., Heating and Ventilating, 51, 102 (1954). 77. G i 1 1 e s p i e T., J. Colloid Sci., 10, 299 (1955). 78. Halvi cek V., Int. J. Air Water Poll., 4, 225 (1961). 6' 83
79. T h о m a s J. M„ Wood f i n E. J., AIEE Trans., 78, 276 (1959). 80. R i v e r s R. D., ASHRAE J„ 4, № 2, 37 (1962). 81. Zeb el G., J. Colloid. Sci., 20, 522 (1965). 82. Walkenhorst W„ Z e b e 1 G., Staub, 24, 444 (1964). 83. Kimura N., Jinoya K-, Makino K., Kogaku Kagaku (Chem. Eng. Japan), 4, 35 (1966). 84. Л e й б e н з о н Л. С., Движение природных жидкостей и газов в пористой среде, Гостехиздат, 1947. 85. А р а в и н В. И., Нумеров С. Н., Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде, Гостехиздат, 1953. 86. Ш е й д е г г е р А. Е., Физика течения жидкостей в пористой среде, пер. с англ., Госгехтеоретиздат, 1960. 87. Коллинз Р., Течение жидкостей через пористые материалы, пер. с англ., Изд. «Мир», 1964. 88. Sullivan R., Hertel К., Advances in Colloid Science, v. 1, № 4, 1942, p. 37—80. 89. Br inkm ап H. C., Appl. Sci. Research, 1A, 27 (1949). 90. В 1 a sew i tz A. G., Judson В. E., Chem. Eng. Progr., 5), 6 (1955). 91. Silverman L., First M., Ind. Eng. Chem., 44, 2ТП (1952). 92. Kimura N., J i n о у a К., Chem. Eng. (Tokyo), 23, 792 (1959). 93. П e т p я н о в И. В., К о з л о в В. И., Басманов Н. И., Огород- ников Б. И., Волокнистые фильтрующие материалы ФП, Изд. «Знание», 1968. 94. В i 1 1 i n g s С. E., Effects of Particle Accumulation in Aerosol Filtration, California Inst, of Tech., Sept., 1966. 95. Leers R„ Staub, Heft 50, 402 (1957). 96. Dorman R. G., in «Aerosol Science», London, 1966, p. 195—220. 97. Раду шкевич Л. В., Коллоидн. ж., 26, 235 (1964). 98. Колганов В. А., Р а д у ш к е в и ч Л. В., Коллоидн. ж., 29, 518 (1967). 99. La Мег V. К., D г о z i п V. G., Proc. 2nd Intern. Congr. Surface Activity, London, p. 600—606. 100. С п у p н ы й К., И e x Ч., Седлачек Б., Шторх О., Аэрозоли, пер. с чешек., Атомиздат, 1964. 101. В о t е г i 1 1 I. S. М., А у n s 1 е у S. A., Brit. Chem. Eng., 12, 1899 (1967). 102. Duncan S. F., ASHRAE J., 6, № 4, 37 (1964). 103. Колганов В. А., Раду шкевич Л. В., Изв. АН СССР, сер. хим., 6, 1208 (1966). 104. Gillespie Т., R е d е а 1 Е„ J. Colloid Sci., 10, 284 (1955). 105. Gillespie Т., J. Colloid Sci., 10, 266, 299 (1955). 106. R a m s k i 1 1 E. A., Anderson W. L., J. Colloid Sci., 6, 416 (1951). 107. Jordan D. W., Brit. J. Appl. Phys., 5, 194 (1954). 108. Gillespie T.,Langstroth G. O., Canad. J. Chem., 30, 1056 (1952). 109. 3 и м о н А. Д., Адгезия пыли и порошков, Изд. «Химия», 1967. 110. Corn М., Adhesion of Particles, in «Aerosol Science», London, 1966, p. 359. 111. Krupp H., Particle Adhesion. Theory and Experiment Advances Colloid and Interface Sci., 1, 111 (1967). 112. P а д у ш к e в и ч Л. В., К о л г а н о в В. А., Изв. АН СССР, сер. хим., 1, 23 (1962). 113. Kaufman А. Е., VDI, 80, 593 (1936). 114. Whitby К- Т„ J о г d а п R. С., А 1 g г е п А. В., ASHRAE J., 4, № 6, 79 (1962). 115. L о f f 1 е г F., Staub, 26, 274 (1966); 28, 11 (1968). 116. R umf Н., Chem. Ing. Techn., 6, 317 (1953). 117. Lowe H. J., L u c a s D. H., Brit. J. Appl. Phys., Suppl., 2, 40 (1953). 118. Becker F., Staub, 23, 60 (1963).
ГЛАВА II ВОЛОКНИСТЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ФИЛЬТРЫ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ Волокнистые фильтры (набивные, маты, из картона, бумаги и др.) представляют собой слои различной толщины, в которых более или менее однородно распределены во- локна, каждое из которых принимает участие в осаждении частиц аэрозоля соответственно закономерностям, изло- женным в предыдущей главе. Это фильтры объемного дей- ствия, так как они рассчитаны на улавливание и накапли- вание частиц преимущественно по всей глубине слоя. Сплошной слой пыли образуется только на поверхности наиболее плотных материалов, обычно при фильтрации грубых пылей, к концу срока службы фильтра. Волокнистые фильтры используют при концентрации дисперсной твердой фазы 0,5—5 мг!мл и только некоторые виды регенерируемых грубоволокнистых фильтров эконо- мически целесообразно применять при концентрации 5— 10 мг!мъ. При таких концентрациях основная доля частиц обычно имеет размеры менее 5—10 мкм, значительное число составляют субмикронные частицы. Высокая пористость волокнистых фильтров, необхо- димая для длительной непрерывной работы, позволяет ис- пользовать некоторые из них для улавливания не только твердых, но и жидких частиц. Вследствие этого область применения волокнистых фильтров достаточно широка, и этим объясняется многообразие конструкций и большая разновидность материалов, служащих в качестве филь- трующих сред для снаряжения аппаратов. Для фильтров используют естественные или специально получаемые волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм, а также их смеси. При таком разнообразии применяемых волокон можно изготовить фильтрующие материалы с заданной эффективностью для частиц любого размера, в том числе и наиболее проникающих. Некоторые виды недефицитных широко распространенных волокон (отходы текстильного производства, шлаковая вата, стружка металлов или по- 85
лимеров и т. д.) могут применяться для снаряжения недорогих фильтров, устойчивых к высокой температуре и агрессивному воздействию. Толщина волокнистых фильтров составляет от десятых долей миллиметра (бумага) до двух метров (многослойные глубокие на- садочные фильтры долговременного использования). Иногда фильтры имеют переменную плотность, при этом одновременно толщина волокон может изменяться по глубине фильтра. В этом случае имеется возможность увеличить пылеемкость, механическую прочность и другие свойства фильтров. Для обеспечения необхо- димой жесткости, упругости и постоянства структуры слоя при эксплуатации, волокна в слоях могут быть скреплены между собой связующим (смолами) или зажаты между сетками. Бумагу, картон, клееные маты, некоторые виды нетканых мате- риалов (вязально-прошивные, игло-пробивные и др.) часто гофри- руют или укладывают в виде П- или V-образных складок различной глубины для того, чтобы увеличить фильтрующую поверхность и пылеемкость, особенно тонких фильтров. Волокнистые фильтры, применяемые для улавливания твердых и жидких частиц из газов и воздуха во время проведения техно- логических процессов или выбрасываемых в атмосферу, назы- ваются промышленными, в отличие от в о з д у ш н ы х, предназначенных для очистки атмосферного воздуха от пыли в си- стемах приточной вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления. Последние будут рассмотрены в главе III. Различают следующие виды промышленных волокнистых филь- тров: Сухие тонковолокнистые электростатические глубокие фильтры фильтры грубой или предварительной очистки (пред- фильтры). Мокрые сеточные самоочищающиеся с периодическим или непрерывным орошением. Ниже подробно рассматривается каждый из перечисленных видов фильтров. СУХИЕ ВОЛОКНИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ Тонковолокнистые фильтры. В связи с развитием новых от- раслей промышленности, в особенности атомной энергетики, радио- электроники, прецизионного приборостроения, промышленной микробиологии и химико-фармацевтических производств, потре- бовалась разработка волокнистых фильтров, способных обеспечить 86
тонкую очистку больших объемов газов и воздуха от твердых и жидких частиц всех размеров, включая субмикронные. Это было связано с необходимостью очистки радиоактивных аэрозолей и некоторых высокотоксичных веществ, а также с обеспечением тех- нологических процессов и рабочих помещений совершенно чистым воздухом (степень очистки 99,99%). Для улавливания высокодисперсных аэрозолей с эффектив- ностью не менее 99% по наиболее проникающим частицам (разме- ром 0,1—0,5 мкм) широко применяются волокнистые фильтры в виде тонких листов или объемных слоев с фильтрующими мате- риалами из тонких или ультратонких волокон (диаметр менее 5 ммк)\ скорость фильтрации в этих фильтрах составляет 0,01— 0,1 м!сек, сопротивление чистых фильтров обычно не превышает 200—300 н!м2 (20—30 мм вод. ст.), а забитых пылью — 700— 1500 н/м2 (70—150 мм вод. ст.). Так как улавливание частиц фильтрующими материалами в фильтрах тонкой очистки происходит в основном за счет броунов- ской диффузии и эффекта касания, для осаждения частиц размером 0,1—0,3 мкм очень важно использовать волокна диаметром 0,1— 2 мкм (табл. II. 1) х. ТАБЛИЦА П.1 Эффективность стекловолокнистых фильтров по атмосферной пыли и стандартному масляному туману — СМТ Фильтрующий материал Медианный диаметр 2а мкм Эффективность т), % по атмосфер- ной пыли по СМТ (2г = 0,30 мкм) Воздушный висциновый фильтр Тонкие маты из стеклян- 125 80 0 ного волокна . . . 20 90 0 4 95—99 10 1 100 80 Бумага 0,5 100 99,9 Из табл. II. 1 следует, что грубоволокнистые фильтры плохо улавливают наиболее проникающие частицы. Регенерация сухих фильтров тонкой очистки после забивания пылью невозможна, они предназначены для длительной непрерыв- ной работы (в течение 0,5—3 лет) с последующей заменой всего фильтра (иногда только фильтрующей среды). При использовании этих фильтров входная концентрация сухой пыли не должна пре- вышать 0,5 мг!м?, иначе фильтры придется слишком часто менять; например, при увеличении концентрации от 0,5 до 1 мг!м? срок службы фильтров сокращается до 3 месяцев. Часто перед филь- трами тонкой очистки следует устанавливать более простые по 87
конструкции пылеулавливающие аппараты для снижения концен- трации пыли до 0,2 или 0,5 мг!м*. В воздухе, поступающем в фильтры тонкой очистки, должна отсутствовать жидкая фаза, так как смачивание уловленного осадка пыли и волокон может привести к выходу фильтра из строя. Фильтрующие материалы, применяемые для тонкой очистки, должны сохранять свои свойства при ручной или машинной обра- ботке во время гофрирования, уплотнения, проклеивания и не иметь локальных нарушений слоя. Материалы должны быть стойки к химическим и физико-механическим воздействиям в жестких условиях эксплуатации. Тонковолокнистые фильтры в соответствии со спецификой их работы подразделяются на следующие три типа: Фильтры для работы при нормальных условиях. Такие фильтры обычно снаряжаются горючими материалами. Наиболее часто используются маты или картоны на основе смеси асбеста с целлюлозой, шерстью или хлопком или из синтетических волокон. Высокотемпературные фильтры. Материа- лами в этих фильтрах чаще всего служат стеклянные волокна; ис- пользуются также волокна из кварца, кремнезема, базальта, гра- фита, металлов, алюмоборосиликатов и других термостойких мате- риалов. Предельно допустимая рабочая температура применения этих материалов ограничена температурой плавления исходных веществ и находится в пределах 400—1000° С. Химически стойкие фильтры. Эти фильтры должны противостоять воздействиям * паров и капелек кислот, щелочей и органических растворителей; они изготавливаются из синтетических полимеров или специальных сортов стеклянного волокна. Ниже приведена краткая характеристика наиболее широко применяемых фильтрующих материалов тонкой очистки. Целлюлозно-асбестовые картоны. Эти материалы применялись ранее для снаряжения коробок противогазов, а затем использо- вались для улавливания радиоактивной пыли 2. Картон получают на бумагоделательных машинах из специ- ально обработанных сортов целлюлозы в смеси с чрезвычайно тон- кими волокнами асбеста (0,01—1 мкм). Д1ягкие войлокоподобные картоны толщиной 0,5—2,5 мм можно легко гофрировать, клеить. Содержание асбеста в картонах составляет 5—50%; фильтрующие свойства его почти полностью зависят от вида асбеста, степени его расщепления на тонкие волокна и равномерности их распре- деления между грубыми волокнами целлюлозы, выполняющими роль каркаса для асбестовых волокон. Известно также 2, что эти материалы применяют в смеси с шерстью, хлопком и стеклянными волокнами. 88
Асбестосодержащие материалы очень доступны и отличаются высокой эффективностью (более 99,99% по наиболее проникающим частицам), но обладают следующими недостатками: низкой термо- стойкостью «100° С), горючестью, плохой стойкостью к увлаж- нению и агрессивным воздействиям кислот и щелочей, а также очень низкой пылеемкостью (5—30 г/л2 по атмосферной пыли при Дрк = 1 кн/м2 и и = 0,01—0,025 м/сек). Из-за перечисленных не- достатков плотные картоны в качестве фильтрующих материалов применяются в промышленности редко. Значительно лучшими фильтрующими и эксплуатационными свойствами в сочетании с высокой химической и термической стой- костью обладают материалы на основе стеклянных и синтетических волокон, разработанные в последние годы и широко применяю- щиеся в промышленности. Фильтрующие материалы из тонких и ультратонких стеклян- ных волокон изготавливают двух типов: маты, получаемые прессо- ванием мокрых слоев стеклянных волокон, и бумага, отливаемая из пульпы на бумагоделательных машинах. Тонкие и ультратонкие стеклянные волокна получают распылением расплавленного боро- силикатного стекла высокоскоростными струями горячего воздуха или вытягиванием нитей; при вытягивании образуются весьма однородные волокна, но более грубые (больше 2 мкм). В табл. II.2 приведены характеристики матов, содержащих до 95% волокон размером менее 3 мкм, причем 50% из них имеют диаметр менее 1 мкм\ Ари К, измерены при и = 0,1 м/сек, а эффективность улавли- вания определялась по аэрозолю с частицами размером 2гм.в = = 0,6 мкм. ТАБЛИЦА 11.2 Характеристика стекловолокнистых матов тонкой очистки Масса 1 Л12 // = 1,6 мм H = 3,2At« Н = 6,4 мм ьр К, % Ар К, % Ьр К, % н/м* мм вод. ст. н/м2 мм вод. ст. н/м* мм вод. ст. 200 470 48 0,2- 353 36 0,3 275 28 0,4 250 610 62 0,07 432 44 0,1 342 35 0,15 300 775 79 0,015 520 53 0,035 422 43 0,045 350 980 100 0,002 610 62 0,01 490 50 0,015 Стекловолокнистые проклеенные маты удобно наматывать в не- сколько слоев на перфорированный цилиндр; при этом можно зна- чительно увеличить фильтрующую поверхность (до 20—30 м2 в 1 м2 корпуса). Пылеемкость таких фильтров достигает 100— 150 г/м2 (при и = 0,025 м/сек, Ар = 1 кн/м2, 2г„.в = 0,6 мкм). Изготовление бумаги толщиной 0,2—0,8 мм из ультратонких стеклянных волокон является сложным процессом, так как хруп- 89
кие волокна плохо сцепляются между собой2-3. Поэтому для повы- шения ее прочности вводится небольшое количество связующего (не более 5%); при оптимальной толщине бумаги 0,4 мм и массе 1 ле2 бумаги 80 а разрывное усилие составляет 447 н на 1 м ширины (45,6 кгс на 1 м ширины) по длине материала и 352 н на 1 м (36,0 кгс на 1 м) в перпендикулярном направлении. Обычно основная масса волокон имеет размеры 0,5—1,5 мкм\ при увеличении содержания Рис. II. 1. Фильтрую- щий материал ФП. более мелких волокон резко снижается проч- ность бумаги 3. Стекловолокнистые материалы, обычно подвергающиеся гидрофобизации силико- нами, могут работать в условиях повышен- ной влажности; они стойки к действию многих кислот, щелочей и органических рас- творителей; только плавиковая и концен- трированная фосфорная кислоты и концен- трированные щелочи могут разрушать эти материалы. Для уплотнения пакетов в корпусах фильтров используются негорючие связую- щие, а для герметизации фильтров при установке их в кассету применяют уплот- нители — пенополиуретан и пористые ре- зины, наполненные хлором или бромом для самогашения в случае возгорания. Корпус фильтра изготавливают из листовой стали или фанеры толщиной 1,5—8,0 мм, пропитанной для прида- ния огнестойкости солями металлов (Г2—16% по массе). В не- которых случаях применяются корпуса из прессованного кар- тона. В СССР разработаны стекловолокнистые фильтры тонкой и грубой очистки производительностью 200, 500, 1000 и 1500 м3/ч с сопротивлением от 200 до 1000 н/м2 (от 20 до 100 мм вод. ст.)-, корпуса фильтров изготовлены из нержавеющей стали Х18Н10Т или фанеры. Более широкое распространение получили в промышленности фильтрующие материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из поли- мерных смол. Они представляют собой нанесенные в процессе получения на марлевую подложку или «основу» из скрепленных между собой более толстых волокон слои синтетических волокон диаметром 1—2 мкм (рис. II. 1). В качестве полимеров для ФП используются перхлорвинил (ФПП), днацетатцеллюлоза (ФПА), полистирол (ФПС), фторполимеры (ФПФ), полиакрилонитрил (ФПАН), полиарилат (ФПАР) и другие материалы. Материалы ФП характеризуются высокими фильтрующими свойствами и коэффициентом фильтрующего действия в несколько раз большим, чем у всех известных материалов. Малая толщина 90
слоев ФП (0,2—1 мм) дает возможность значительно увеличить поверхность фильтра до 100—150 м2 (в 1 м3 фильтра)4’5. Наибольшее распространение получили перхлорвиниловые волокна, характеризующиеся влагостойкостью и высокой хими- ческой стойкостью в кислотах, щелочах, растворах солей, орга- нических растворителях. Однако термостойкость этих волокон невелика (60—70° С). Ацетатные волокна недостаточно стойки к влаге, кислотам и щелочам, но термостойкость их достигает 150° С. Пылеемкость материалов типа ФП (50—100 г/м2) несколько выше, чем асбест-целлюлозных картонов и стекловолокнистых бумаг в одинаковых условиях эксплуатации. В зависимости от толщины слоя и диаметра волокон, а также вида полимера фильтрующие материалы обладают разными свой- ствами, поэтому можно сравнительно легко подобрать наиболее подходящие среды для их применения. Волокна ФП не являются цилиндрическими, а имеют лентовидное строение, ширина этих волокон в 3—5 раз больше толщины. Следует иметь в виду, что в фильтрующих материалах ФП волокна в процессе изготовления приобретают значительный электростатический заряд. Снятие заряда с ацетатных волокон происходит быстро, в то время как на перхлорвиниловых волокнах и волокнах из полистирола заряды сохраняются значительно дольше6, что, естественно, повышает эффективность фильтров. Ниже приводятся значения коэффициентов фильтрующего действия материалов при разных скоростях газового потока5’6 (после непродолжительного срока хранения): ФПП ФПА 8—14 2 2,5 0,8 эффекта материалов типа ФП в стационарных устройствах не учитывают, но при кратковремен- ной работе (например, в респираторах одноразового действия типа «Лепесток») электростатические заряды на волокнах ФПП не успевают исчезнуть и играют определяющую роль в улавливании наиболее проникающих частиц. Материалы ФП характеризуются диаметром волокон и величиной сопротивления при скорости потока 0,01 м/сек и различаются соответствующими марками. Например, марка ФПП-15—1,7 означает, что материал состоит из волокон диаме- тром 1,5 мкм и имеет сопротивление 16,7 н/м2 (1,7 мм вод. ст. при и = 0,01 м/сек). В табл. II.3 приведена характеристика6 наиболее распростра- ненных фильтрующих материалов ФП. Применяя материалы типа ФП для очистки агрессивных газов, следует учесть, что хлопчатобумажная марлевая подложка под 91 потока, м/сек 0,01 0,25 14 5 Влияние электростатического
ТАБЛИЦА II.3 Характеристика фильтрующих материалов ФП Материал Полимер Др К, % (по СМТ) Толщина Н, мм Предельная тем- пература, °C Стойкость в различных средах мм вод. ст. кислота и щелочи масла органиче- ские рас- творите- ли влага ФПП-15—1,7 Перхлор- винил 16,7 1,7 2 (0,1) * 1,0 60 Стоек Не стоек Не стоек Стоек То же ФПП-25—3,0 То же 29,4 3,0 0,1 (0,001)* 3,0 60 То же То же То же » ФПП-70—0,5 » 4,8 0,5 10 (0,5) * 1,0 60 » » Не ФПА-15—2,0 Диаце- тат цел- люлозы 19,6 2,0 1 1,0 150 Стоек стоек ♦ Цифры в скобках относятся к заряженным волокнам; проскок определялся по стандартному масляному туману (2г = 0,3 мкм) при и == 0,01 м[сек. действием кислот разрушается и необходимо либо нейтрали- зовать газы, либо использовать материал с другой подложкой. Фильтрующие материалы из синтетических волокон получают также экструзией различных расплавленных термопластичных полимеров с последующим растягиванием струек высокоскорост- ными струями горячего воздуха 2-7 или путем распыления сжатым газом растворов полимеров в органических растворителях, кото- рые успевают испариться еще до укладки образовавшихся волокон на барабан или транспортную ленту8. В табл. II.4 приведены характеристики фильтрующих мате- риалов (волокон), полученных из расплавов полимеров 2, а в табл. II.5 — материалов, изготовленных из растворов полиме- ров7. ТАБЛИЦА П.4 Характеристика фильтров, полученных из расплавов полимеров (К и Ар определены при и = 0,114 м!сек, диаметр частиц 0,6 мкм) Полимер Диаметр волокон 2а мкм К = 1% к = о,1% Д = 0,01% Др масса 1 м2 фильтра, г Др масса 1 мг фильтра, г Др масса 1 м2 фильтра, г £ мм вод. ст. о, а? мм вод. ст. ¥ мм вод. ст. Полистирол .... 0,5—6,5 590 60 145 920 94 200 1290 132 245 Капрон 0,7—2,5 430 44 160 637 65 200 850 87 235 Полипропилен . . . 0,7—6,0 350 36 130 705 72 185 1060 108 225 Полиэтилен .... 2,0—12,0 1080 по 510 2060 210 690 — — — 92
ТАБЛИЦА II 5 Характеристика фильтров, полученных из растворов полимеров методом распыления (скорость фильтрации и~ 0,14 м/сек) Медианный диаметр 2а мкм Масса 1 мг фильтра г Др К, % частиц размером 2г н/м* мм вод. ст. 0,01 мкм 0,1 мкм 1,0 мкм 2,0 22 98 10 32 91 10 2,0 105 167 17 2,8 43 1,0 0 4 27 1180 120 2,8 14,3 0,01 0,4 50 4000 408 0,01 1,7 0,01 0.3 32 6660 680 0,8 0,8 0,01 Из табл. II.5 видно, что частицы размером приблизительно 0,1 мкм являются наиболее проникающими. Концентрация полистирола в растворе метиленхлорида со- ставляет 6—10%, давление газа при распылении 0,15—0,35 MhJm2, (1,5—3,5 ат). Из табл. II.5 также следует, что по эффективности фильтру- ющие материалы, полученные из растворов распылением, зна- чительно уступают даже электрически разряженным материа- лам ФИ, отличающимся очень однородной структурой. Электростатические волокнистые фильтры. Первый волок- нистый фильтр, в котором преобладал электростатический эффект притяжения частиц, был разработан в 1930 г. в Дании Хансеном 2. Слой шерстяного фетра с порошком канифоли использовался в качестве эффективного противодымного фильтра в противогазах. В Англии слои шерсти, пропитанные порошком модифициро- ванной феноло-формальдегидной смолы (до 10—15% по массе), используются в промышленных фильтрах. Преимуществами таких фильтров являются малые величины Др и /С, высокая пылеемкость, простое и надежное уплотнение материала в корпусе. Недостатком их является ограниченный срок эффективной работы (так же как и фильтрующих материалов типа ФП) при воздействии паров кислот, ионизирующего излучения, масляного тумана, при на- коплении проводящей пыли и вообще в условиях длительного пропускания воздуха. Снижение эффективности фильтра из-за утечки электрического заряда, несмотря на частичную компенса- цию вследствие накопления на поверхности слоя сухой пыли, при- вело к тому, что вместо шерстяно-смоляных материалов в послед- ние годы начали широко применять стекловолокнистые мате- риалы8-9. При сопоставлении различных фильтрующих материалов можно заметить, что объемные материалы (маты) обладают большей пы- леемкостью, чем, например, бумага, но при использовании тонких материалов в одном и том же корпусе фильтра можно разместить 93
большую фильтрующую поверхность и таким образом повысить пылеемкость фильтра. Конструкции фильтров тонкой очистки. Конструктивное офор- мление фильтров тонкой очистки определяется типом фильтру- ющей среды, параметрами очищаемых аэрозолей и эксплуатацион- ными требованиями. Более толстые объемные материалы, например маты из стеклян- ного волокна, из смеси асбеста с хлопком или шерстью или шер- стяно-смоляные слои, укладываются в несколько рядов на перфо- Рис. II.2. Цилиндри- ческий фильтр: 1 — перфорированная труба; 2 — сетка; 3 — корпус; 4 — объемный фильтрующий материал; 5 — хомут. Рис. П.З. Фильтр с объемным материалом: 1 — сетка; 2 — гофрированные разделители; 3 — фильтрующий материал. рированный цилиндр, который герметично закрепляется в сталь- ном корпусе (рис. II.2). При работе под давлением и высокой температуре слой кварцевых волокон может уплотняться между двумя перфорированными или сеточными цилиндрами 2. В несколько раз большая площадь фильтрующей поверхности на единицу объема корпуса достигается при использовании складчатых слоев (рис. П.З). Волокнистый мат сверху и снизу обкладывается канвой или другим сеточным материалом и укла- дывается в виде глубоких складок (10—30 см), в которые встав- ляются гофрированные разделители, предотвращающие смыкание слоев. Фильтрующий пакет уплотняется в корпусе упругим сжа- тием слоев. На рис. II.4 показана типичная конструкция короб- чатого двухступенчатого фильтра 2. Использование фильтрующих бумаг создало возможность по- лучить более компактную конструкцию фильтров, широко приме- няемых в промышленности. Наиболее распространены фильтры с материалами ФП рамоч- ной конструкции; фильтрующий материал в виде ленты уклады- 94
вается между П-образными рамками, чередующимися при сборке пакета открытыми и закрытыми сторонами в противоположных направлениях. Между соседними слоями материала устанавли- ваются гофрированные разделители. Рам- ки, разделители, боковые стенки корпуса могут быть из различного материала: фанеры, винипласта, алюминия, нержа- веющей стали. Схема рамного фильтра показана на рис. II.5. Загрязненные газы поступают в одну из открытых сто- рон фильтра, проходят через материал и выходят с противоположной стороны. На одной торцовой стороне корпуса укреп- ляется уплотняющий фланец, к присоеди- нительной поверхности которого при- клеена губчатая резиновая прокладка. С 1968 г. вместо рамочных фильт- ров выпускают фильтры типа «Д», пред- ставляющие собой набор цельноштам- пованных гофрированных рамок-раздели- Рис. II.,4. Коробчатый двухступенчатый фильтр. телей из винипластовой пленки, между которыми укладывается фильтрующий материал. Эти рамки имеют форму клиньев и установлены с чередованием откры- тых и закрытых сторон в противоположных направлениях (рис. II.6). Фильтры с клинообразными рамками имеют шифр Дкл. В отличие от соответствующих им по габариту фильтров с пря- Рис. II.5. Схема рамного фильтра тонкой очистки: 1 — П-образная планка; 2 — боковая стенка; 3 — раздели- тели из гофрированной винипластовой пленки; 4 — филь- трующий материал. мыми рамками-разделителями фильтрующая поверхность их больше на 25—30%. В некоторых конструкциях фильтров перед- няя и задняя стороны закрыты крышками, снабженными па- трубками. Фильтры типа «Д» рекомендуется устанавливать так, чтобы рамки находились в вертикальной плоскости; при этом предот- вращается провисание материала при накоплении слоя пыли. 95
Кроме рамочных фильтров прямоугольной формы различных габаритов изготавливаются малогабаритные фильтры (В-0,1 и В-0,4) цилиндрической формы. Они предназначены для установки в боксах. Фильтрующий материал в них свернут в мешок конусной формы, который складывается в виде «гармошки» с проложенными между слоями гофрированными цилиндрическими раздели- телями. Выбор фильтрующего материала ФП зависит от назначения фильтра, требуемой степени очистки и нагрузки на фильтр. Рис. II.6. Схема фильтров типа Дкл: 1 — рамки-разделители из винипласта; 2 — фильтрующий материал; 3 — фанерный корпус фильтра; 4 — присоединительный фланец; 5 — рези- новая прокладка. В табл. И.6 представлены рекомендуемые марки фильтру- ющего материала ФП. При кратковременной эксплуатации фильтров, когда длитель- ность срока службы и повышенное сопротивление практически не имеют значения, они могут использоваться при скорости фильтрации до 6 м3/(м2-мин). При концентрациях пыли менее 0,5 мг/м3 фильтры могут ис- пользоваться без предфильтров, однако более целесообразно предусмотреть предварительную ступень — фильтры грубой очистки. В фильтрах малой производительности размещают в одном корпусе фильтры тонкой очистки из материала ФП и грубой очистки из набивного слоя лавсановых волокон толщиной 5—10 см. Такие фильтры называются двухступенчатыми или комбинирован- ными (рис. II.7). Фильтры типа «ДК» (деревянные комбинирован- ные) могут устанавливаться непосредственно на стенках бокса или камеры. Перечень и краткую характеристику фильтров тонкой очистки, выпускаемых промышленностью, см. Приложение I. В фильтрах, снаряжаемых стекловолокнистой бумагой или целлюлозно-асбестовым картоном, фильтрующие материалы обра- зуют складки различной глубины и располагаются в корпусе без 96
Таблица it.6 Назначение и условия. Применения фильтров ФП Назначение фильтра Марка фильтрующего материала ФП Скорость фильтра- ции м9/(мг-мин) К (no СМТ) % Очистка вентиляционных вы- бросов, содержащих радио- активные или токсичные аэ- розоли; стерилизация воз- духа и других газов ФПП-15—3 ФПП-25—3 ФПА-15—4 до 2,5 0,01—0,1 Очистка приточного воздуха и нетоксичных вентиляцион- ных выбросов; рециркуля- ционное обеспыливание и кондиционировани е ФПП-15—1,5 » 2,5 0,01—1,0 Очистка вентиляционных вы- бросов из горячих камер и боксов ФПП-15—4,5 » 2,5 0,005—0,1 Очистка технологических вы- бросов радиоактивных и вы- сокотоксичных производств ФПП-25—6 ФПП-15—6 ФПА-15—6 » 1,2 0,005—0,01 рамок. Герметизация их в корпусе достигается приклеиванием к стенкам; между складками устанавливаются гофрированные разделители. При таком размещении можно получить 200—300 м2 фильтрующей поверхности в пересчете на 1 л3 корпуса (рис. II.8). Рис. II.7. Комбинированный фильтр типа «ДК»: 1 — секция с набивным слоем из грубых волокон; 2 — секция тонкой очистки. Известны конструкции с двукратной разверткой, в которых материал укладывается «гармошкой» с неглубокими складками, а затем складчатые пакеты устанавливаются в виде клиньев в корпус. В качестве разделителей в этом случае можно использо- вать шпагат, приклеенный с обеих сторон бумаги по всей длине материала (рис. II.9). Особенно жесткие требования предъявляются к фильтрам, предназначенным для очистки вентиляционного воздуха и ре- 7 В. Н. Ужов 97
Циркуляционных (охлаждающих) газов в атомных реакторах. Эти фильтры должны обладать высокой огнестойкостью, большой надежностью и эффективностью более 99,99% при максимально простом обслуживании в период эксплуатации210’11. В таких фильтрах фильтрующей средой служат стеклянные, кварцевые или другие термостойкие бумаги; корпус и разделители (сепара- торы) изготавливаются из стали специальных марок. Фильтру- ющие материалы обычно гидрофобны, а для предохранения попадания на них жидкой фазы перед ними устанавливают сеточ- Рис. 11.9. Высокоэффективный фильтр с двукратной р азверткой: 1 — шпагат; 2 — V-образные фильтрующие элементы; 3 — резиновое уплотнение; 4 — корпус. Рис. II.8. Высокоэффектив- ный фильтр, снаряженный фильтрующей бумагой: 1 — корпус; 2 — резиновое уплотнение; 3 — клей, цемент или другое связующее; 4 — фильтрующий материал; 5 — разделители. ные туманоуловители и фильтры с набивным материалом из лавсана10. Такие же требования предъявляются к фильтрам, устанавливаемым в радиохимических лабораториях. Эффектив- ность фильтров по субмикронным аэрозолям проверяется после монтажа, а также во время эксплуатации10-11. Установка фильтров тонкой очистки. Эффективность фильтров проверяется на заводе-изготовителе по стандартному масляному туману (СМТ) или другому аэрозолю. Иногда наблюдаются случаи снижения эффективности при эксплуатации, вызываемые поврежде- ниями при транспортировке, небрежном монтаже или нарушении герметичности вследствие вибраций установок, температурных деформаций и т. д. Поставляемые фильтры могут быть использованы самостоя- тельно или устанавливаться группами с необходимым числом фильтров. Они размещаются в специальных камерах, а также в прижимных устройствах, обеспечивающих их герметичное под- жатие 12. 98
На рис. 11.10 показаны два варианта одиночной установки фильтров (в камере и без камеры). При групповой установке фильтров в камере предусматри- вается безопасная смена фильтров при очистке опасных аэрозолей, дезактивация корпуса, биологическая защита от у-излучения и т. д. Рис. 11.10. Одиночная установка фильтров с фильтрующим материалом ФПГ1: а — в камере; б — без камеры; 1 — переходник; 2, 5, 12 — прокладки; 3, 10 — корпуса; 4 — фильтр; 6 — дроссель-клал ан; 7 — короб для неочищенного воздуха; 8 — короб для очищенного воздуха; 9 —.упорный фланец; 11 — фильтрующий элемент; 13 — ро- лики; 14 — опорные уголки; 15 — запорная П-образная пружина; 16 — зубчатая рейка (защелка). Во время монтажа установок необходимо обратить особое внимание на герметичность уплотнения и недопущение перекоса корпуса фильтра; даже небольшие неплотности в фильтре вызы- вают резкое увеличение коэффициента проскока. На рис. П.11 показана английская установка большой произ- водительности, состоящая из трехступенчатых фильтров, при- соединенных с помощью резиновых манжет к общим коллекторам воздуха 2. 7* 99
Часто в комплекте с фильтрами поставляются многоярусные герметичные камеры (рис. 11.12), предназначенные для безопас- ного удаления использованных фильтров в мешки из пластиката 2. Рис. 11.11. Установка из трехступенчатых фильтров. Вибрация фильтров тонкой очистки недопустима, поэтому установка не должна иметь жесткой связи с источниками коле- баний (вентилятором, компрессором и т. п.), расположенными вблизи. Рис. 11.12. Компактная конструкция камеры с фильтрами и коллекторами. Как указывалось, регенерация отработанных фильтров тонкой очистки практически невозможна, и забитый пылью фильтр обычно заменяется новым. Извлечение осадка, если он пред- ставляет ценность (или для захоронения в компактном виде) 100
производится сжиганием фильтра, поэтому для улавливания ра- диоактивных или особо вредных пылей предпочтительнее горючие фильтры (если нет опасности возгорания фильтра в системе очистки). В зарубежной промышленности применяют главным образом негорючие стекловолокнистые фильтры, а уничтожают их после использования путем захоронения в специальных контейнерах. Фильтры в металлических корпусах обычно переснаряжаются новой фильтрующей средой, а использованная уничтожается сожжением или опрессовывается и захороняется в специальные 7 Рис. 11.13. Волокнистый фильтр долговременного использования: 1 — лобовые (нижние) слои; 2 — средний слой; 3 — верхний слой. хранилища. Выход из строя фильтров в результате их возгорания может привести к тяжелым последствиям вследствие распростра- нения вредностей на значительные расстояния, поэтому вопросам защиты фильтра от огня уделяется особое внимание. Для предот- вращения попадания раскаленных частиц и пламени в фильтр устанавливают искроуловители из грубых стеклянных волокон (2а = 50—100 мкм, и = 1,5 м/сек, Н = 0,05 м) и огнепрегради- тели различных конструкций2-13. Глубокие фильтры. В связи с основным недостатком тонко- волокнистых фильтров — сравнительно коротким сроком непре- рывной работы, во многих случаях используются многослойные глубокие фильтры, называемые иногда фильтрами долговремен- ного использования. Эти фильтры состоят из глубокого лобового слоя грубых волокон и более тонкого замыкающего слоя тонких волокон, причем плотность упаковки волокон изменяется по •глубине. В литературе11' 12 приводится описание нескольких типов таких фильтров, используемых для очистки вентиляционного воздуха и технологического газа от радиоактивных частиц. На рис. II. 13 показан двухступенчатый фильтр производительностью 19,7 м^/сек (71 000 м3/ч), установленный для очистки технологиче- ских сдувок на операции химического выделения ядерных мате- риалов. Первая ступень представляет собой извилистое стеклян- ное волокно (14 000 кг) диаметром 29 мкм, уложенное в четыре слоя; 101
плотность набивки двух лобовых (нижних) слоев высотой по 0,38 м составляет И кг/м3, третьего слоя высотой 0,91 м — 24 кг/м3 и верхнего слоя высотой 0,46 м — 48 кг/м3. Каждый слой отделен от другого перфорированной перегородкой из нержаве- ющей стали. Газы поступают в фильтр снизу и, пройдя первую ступень фильтра со скоростью 0,25 м/сек, через сужение с заслонкой попадают в нижнюю часть камеры второй ступени, где парал- лельно установлены 132 отдельных фильтра. Каждый фильтр состоит из двух слоев толщиной 13 мм, снаряженных стеклян- ным волокном диаметром 3,2 и 1,2 мкм. Скорость фильтрации во второй ступени составляет 0,10 м/сек. Общая эффективность очистки не менее 99,9%, перепад давления 3,72 кн/м2 (380 мм вод. ст.). Характеристика многослойного одноступенчатого фильтра при скорости фильтрации 0,10 м/сек приведена в табл II.7. ТАБЛИЦА 11.7 Характеристика многослойного одноступенчатого глубокого фильтра Слои Медиан- ный диаметр 2а, мкм Др Плотность набивки кг/м5 Глубина слоя м Эффек- тивность очистки % н}мГ£ ММ вод. ст. Нижний (первый) 30 25 2,54 24 0,305 39,0 Второй . . . 30 60 6,1 48 0,254 53,0 Третий 30 334 34,0 96 0,508 93,0 Верхний (четвер- тый) ... 1,3 550 55,9* 19,2 0,025 99,9 Для расчета слоевых стекловолокнистых фильтров при скорости фильтрации до 0,35 м/сек предложены 14 следующие эмпирические соотношения: 1 _ / Н у (му К~к1\25,У \16 J юд, „ ( М у = 19,6/га// I -jg- 1 и, (III) (II.2) н/м2 где К — коэффициент проскока в долях поли- дисперсной пыли, состав которой близок к обычной атмосферной пыли; Н — глубина слоя, мм; М — плотность набивки стеклянного волокна, кг/м3; и — скорость фильтрации, см/сек; klt а, Ь, с, k2, у — константы, значения которых приведены в табл. II.8. 102
Значения констант ТАБЛИЦА II 8 Медианный диаметр 2а, мкм fei а ь с ^2 У 1,3 4,6 0,8 1,0 —0,2 0,082 1,5 2,5 — — —0,25 — — 15,0 0,085 0,9 1,1 —0,4 С 00043 1,6 30,0 0,054 0,9 0,9 —0,4 0,0002 1,5 115,0 — — — —0,5 — — Многослойные фильтры рассчитаны на непрерывную работу в течение 10—20 лет, что подтверждается практикой эксплуатации в течение 15 лет. Фильтры долговременного использования обычно размещаются в заглубленных в землю помещениях. По истечении срока службы их отключают и захороняю^ на месте путем цементирования, а в систему очистки включают резервные фильтры. Волокнистые фильтры с высотой фильтрующего слоя 0,3— 2,0 м широко применяются для стерилизации воздуха в произ- водстве антибиотиков, витаминов и других продуктов, получаемых ферментацией 15’16. Практически установлено, что высокоэффек- тивная очистка воздуха от бактепий размером 0,5—5 мкм фильтра- цией через волокнистые фильтры является наиболее простым, надежным и недорогим способом стерилизации больших объемов воздуха, требуемого для нсомального протекания аэробных фер- ментационных процессов. Очистка воздуха от пыли и бактепий обычно проводится в две ступени. Первый (головной) фильтр снаряжается слоем стеклянного волокна с различной плотностью набивки и высотой фильтрующего слоя в зависимости от диаметра волокон, величина которого, по данным ряда авторов15-18, варьирует в пределах от 8 до 19 мкм\ скорость фильтрации составляет 1,50 м!сек. Исполь- зуются также маты из поливинилспиртовых волокон, проклеен- ных меламиновой смолой 15, или слои, составленные из большого числа матов толщиной 0,5 мм из стеклянных волокон диаметром 14 мкм, проклеенные феноло-фурфуролальдегидной смолой17. При таком строении слоя можно получить более однородный фильтр, не имеющий каналов у стенок корпуса, с фиксированной структурой волоксн в слое, что предотвращает обрыв волокон и их смещение при резком изменении давления. Эти фильтры периодически стерилизуют острым ларом в тече- ние четырех часов при давлении 0,12—0,15 Мн!м2 (1,2—1,5 ат), а затем просушивают сухим воздухом путем продувки в течение суток15’16. ЮЗ
Ё качестве второй ступени используются тонковолокнистые фильтры (рис. II. 14), устанавливаемые непосредственно перед поступлением воздуха в ферментеры или посевные аппараты 16’19. Фильтры, снаряженные материалом ФПП-15-Б, стерилизуют 40%-ным раствором формалина, а затем нейтрализуют раствором аммиака. Корпусы фильтров-стерилизаторов имеют цилиндрическую форму и рассчитаны на работу под давлением до 0,3 Мн!м2 (3 ат). Фильтры грубой или предварительной очистки. Снижение начальной концентрации аэрозоля при высокоэффективной Рис. И. 14. Фильтр для стерилизации воздуха: I — нестерильная зона; II — стерильная зона; 1 — корпус; 2 — съемная крышка; 3 — прямоугольная кассета с фильтрующим материалом; 4 — дополнительный фланец: 5 — П-образные рамки; 6 — гофрированные сепараторы; 7 — хомут; 8 — штуцер; 9 — патрубок для входа воздуха; 10 — патрубок для выхода воздуха. очистке проводится в фильтрах грубой или предварительной очистки (предфильтрах), имеющих низкое сопротивление 100— 200 н/м2 (10—20 мм вод. ст.) и высокую пылеемкость при Арк = = 0,7—1 кн/м2 (70—100 мм вод. ст.). Такие фильтры значительно дешевле (иногда в 10 раз), чем фильтры тонкой очистки, и их можно легко заменять или регенерировать. Если рассматриваемые фильтры применяются в системах тон- кой очистки, то эффективность улавливания частиц размером 0,5— 1 мкм должна быть не менее 50%, для того чтобы тонковолок- нистые материалы меньше забивались субмикронными частицами. Скорость фильтрации составляет 0,05—0,2 м!сек. Значительную роль играет осаждение частиц за счет касания. Если не требуется улавливать субмикронные частицы, пред- фильтры служат единственной ступенью очистки. Частицы разме- ром 1—5 мкм осаждаются в них в основном за счет эффектов ка- сания и инерции, поэтому необходимо использовать глубокие по- ристые слои из грубых волокон или более тонкие плотные мате- риалы при небольшой скорости фильтрации (0,1—0,3 м/сек) для снижения сопротивления. Фильтрующий материал высокого качества для предфильтров 20 обычно состоит из смеси волокон диаметром от I до 20 мкм, причем до 50% волокон имеют размеры менее 4 мкм. При скорости филь- 104
трации 0,05—0,1 м/сек материал должен почти полностью улав- ливать частицы крупнее 1 мкм. После частичного забивания фильтр становится эффективным для частиц субмикронного размера: если начальный коэффициент проскока /Сн = 50% по частицам размером 0,5 мкм, то конечный коэффициент проскока Кк = 1 %. В условиях эксплуатации большое значение имеет характер изменения сопротивления и эффективности при забивании пред- фильтров. Если эффективность улавливания по мере забивания возрастает быстрее, чем Др, то структура такого материала удо- влетворяет требованиям. При фильтрации полидисперсных аэрозолей распределение частиц в выходящем после предфильтра потоке по размерам из- меняется вследствие относительного обогащения его наиболее проникающими частицами, и достичь в этом случае существенного продления сроков службы фильтров тонкой очистки не всегда удается, так как пылеемкость тонковолокнистых материалов резко снижается, если в аэрозоле отсутствуют крупные частицы. При испытании на реальной атмосферной пыли было установ- лено 21, что срок эксплуатации асбесто-целлюлозных фильтров после улавливания пыли в лучших из 30 опробованных пред- фильтров увеличился всего в 1,2—1,9 раза; в некоторых случаях наблюдалось даже снижение сроков службы фильтров тонкой очистки. При испытании же на тонкодисперсной угольной пыли в лабораторных условиях срок службы фильтра тонкой очистки в случае использования предфильтра увеличивался в 6—8 раз. Это указывает на то, что окончательную оценку целесообразности применения предфильтров можно получить только в условиях эксплуатации. Причем определяющим фактором пригодности предфильтра является степень снижения роста сопротивления в фильтрах тонкой очистки. Срок службы предфильтра до смены или регенерации опре- деляется по пылеемкости. Предельно допустимую величину Др устанавливают, исходя из экономических соображений — со- поставления стоимости энергии, потребляемой вентилятором на преодоление сопротивления фильтра, и затрат на более мощный вентилятор (с повышенным напором) со стоимостью смены фильтра. Практически при Др = 0,3—0,5 кн/м2 (30—50 мм вод. ст.) экономически нецелесообразна дальнейшая эксплуатация фильтра. Для непрерывного поддержания производительности при изме- нении сопротивления в системе необходимо применять регулиро- вание с помощью дросселя или направляющего аппарата либо использовать многоходовые вентиляторы или многоступенчатые осевые вентиляторы 2-12. Попытки регенерировать предфильтры промывкой, воздей- ствием ударных волн, отсасыванием пыли вакуумом не дали поло- жительных результатов 2. Поэтому при входной концентрации 0,5—1 мг/м3 смену предфильтров производят 4—6 раз в год. 105
На работе фильтров особенно неблагоприятно отражается содержание в газе частиц гигроскопичных солей, а также конден- сация паров воды в фильтрующем слое, так как при этом обра- зуются отложения в виде непроницаемой корочки, которые пол- ностью выводят фильтр из строя. В СССР фильтр предварительной очистки марки ДСВ выпу- скается с набивкой лавсановым волокном диаметром 15—25 мкм; плотность набивки 15—25 кг!мг, толщина слоя 0,10 м (рис. 11.15). Ниже приводится техническая характеристика этого фильтра: Производительность, м3/сек............0,167 (600 ж3/ч) Эффективность очистки приточного ат- мосферного воздуха, % .......... 80—90 Скорость фильтрации, м/сек . 0,25 Рис. 11.15. Фильтр предварительной очистки с лавсановой насадкой: 1 — разделительная перегородка; S — филь- трующий материал; 3 — сетка; 4 — кожух деревянный. Фильтры грубой очистки ФГ с лавсановым волокном выпускаются для бескамерной установки; площадь фильтрации в них равна 0,75; 1,0; 1,8 м2 (ФГ-1; ФГ-1,8). Удельную скорость филь- трации выбирают с учетом действительного давления в вентиляционной системе и фактической запыленности воздуха. Были предприняты по- пытки 22 продлить срок служ- бы предфильтров путем пе- риодического снижения сте- пени сжатия волокнистого слоя номере возрастания Др. Принципиальная схема та- кого фильтра показана на рис. 11.16. Запыленный воз- дух поступает на ряд коль- цеобразных слоев и проте- кает радиально от центра к периферии. При увеличении Др вследствие забивания пылью степень сжатия слоев дисками посте- пенно снижается устройствами 1, поэтому сопротивление остает- ся постоянным. В процессе фильтрации тонкодисперсных пылей удается четыре раза восстанавливать первоначальное сопроти- вление фильтра без изменения эффективности улавливания. В качестве фильтрующего материала были использованы стек- лянное волокно и шерсть в виде упругих слоев. Фильтры грубой очистки могут изготавливаться также из шлаковой ваты, которая получается на основе доменных щелочных шлаков при распылении расплавленного материала быстро вращающимся диском или высокоскоростными струями 106
горячего воздуха. При этом получается -~90% (по массе) волокон диаметром менее 10 мкм и 50% диаметром менее 5 мкм. Шлаковая вата, уложенная на стальной сетке в маты толщиной от 10 до 50 мм, была использована23-24 для очистки мартеновских и конверторных горячих га- зов (г = 320—650° С) от воз- гонных частиц окислов же- леза. При скорости филь- трации 0,50 м/сек сопроти- вление фильтра достигало 1,47 кн/м2 (150 мм вод. ст.), а эффективность очистки составляла 90%. Было предложено не- сколько конструкций устано- вок, в которых слой шлако- вой ваты медленно переме- щался через запыленный поток горячего газа. После Рис. 11.16. Поперечное сечение волок- нистого фильтра: / — устройство для изменения плотности упаковки волокон. насыщения пылью слой разрушали импульсами сжатого воздуха, волокна очищали, после чего они поступали для образования нового слоя. Но при использовании установок в промышленных условиях эффективность очистки сни- жалась до 60%. В качестве фильтрующих сред были также испы- таны волокна из алюмосиликатных стекол, сетки и стружка из жаропрочных сталей24-25; регенерация этих материалов осуще- ствлялась слабыми ударными волнами, промывкой и другими мето- дами. Однако промышленную установку с такими материалами создать пока не удалось. МОКРЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ Многие промышленные газы, участвующие в технологическом процессе или отходящие в атмосферу, содержат жидкие частицы, т. е. представляют собой туманы, образовавшиеся либо в резуль- тате конденсации паров, либо вследствие механического дробле- ния и уноса жидкости из орошаемых абсорберов, барботажных скрубберов, ректификационных колонн, выпарных аппаратов, при перемешивании растворов сжатым воздухом. Очистка газов от конденсированных частиц вследствие их высокой дисперсности, часто меняющейся во времени (при изме- нении температуры и давления), представляет более сложную проблему, чем улавливание тумана, образовавшегося при механи- ческих процессах. Силы, действующие на взвешенные жидкие частицы, в основ- ном идентичны силам, действующим на твердые частицы, поэтому для их улавливания используются механические и электрические пылеуловители почти всех типов, в том числе фильтры многих типов. 107
В последнее десятилетие для улавливания туманов в про- мышленности используются также сеточные сепараторы и волок- нистые фильтры, отличающиеся высокой эффективностью улавли- вания, надежностью работы, простотой конструкции и обслужи- вания, сравн дельно небольшими капиталовложениями. Отличи- тельной особенностью устройств для улавливания жидких частиц является их коалесценция после соприкосновения с фильтрующими элементами и образование жидкой пленки или крупных капель, удаляющихся из фильтрующей перегородки; при этом не требуется никакого встряхивания, продувки или другого способа удаления уловленной жидкости. Выбор типатумано- или брызго- уловителя, работающего на прин- ципе фильтрации, зависит от раз- мера капелек, концентрации взве- шенной жидкой фазы, физико- химических свойств жидкости и поверхности материала перего- родки, от наличия в тумане твердых частиц, плотности и вяз- кости газов (паров), требуемой Рис. 11.17. Пакет сеточного брызго- эффективности и допустимого пе- туманоуловителя. репада давления на установке. Сеточные брызгоуловители 26~38. Типичными устройствами для улавливания жидких частиц размером более 5 мкм являются каплеуловители, состоящие из пакетов вязаных металлических сеток, которые при насыщении водой и большой скорости потока устойчиво сохраняют форму и размеры ячеек. На рис. 11.17 при- веден общий вид пакета. Сетки трикотажного переплетения изго- тавливают из проволок диаметром 0,1—0,25 мм, материалом для них могут служить легированные стали (мягкие сорта), монель- металл, сплавы на основе титана или других коррозионностойких металлов, а также фторопластовое моноволокно; размеры ячеек составляют 3—5 мм. Известны28 также комбинированные сепараторы, состоящие из чередующихся слоев металлических сеток и грубых волокон, характеризующиеся высокой эффективностью улавливания тон- кого тумана, но повышенным сопротивлением. Сетки гофрируют и укладывают в пакеты толщиной 100— 200 мм. Для аппаратов диаметром менее 2 м сетки свертывают в цилиндрические сплошные элементы (сеточная насадка Гудлое, рис. 11.18). Для установки внутри дистилляционных колонн, выпарных аппаратов и скрубберов большого диаметра (до 12 м) пакеты изготавливают стандартных размеров и формы, что позво- ляет вести монтаж их через люки и легко удалять для очистки (рис. 11.19). 108
Пакеты укладывают на легкий каркас из уголка, полосовой или круглой стали, а сверху помещают также опорный каркас. В некоторых случаях сеточные сепараторы устанавливают вне технологических аппаратов — в отдельном сосуде (рис. 11.20). Рис. 11.18. Сеточный сепа- ратор для насадочных ко- лонн малого диаметра. Рис. 11.19. Сеточный сепара- тор для аппаратов большого диаметра: 1 — опорное кольцо нз уголка 7бХ7б мм; 2 — дополнительная опора; 3 — фильтрующий материал. Для работы в разных условиях используют пакеты различной плотности 32 (табл. II.9). Для повышения эффективности улавливания тумана предусма- тривают две ступени сеточных сепараторов^30-31. На нижней ступени устанавливают пакеты с более мелкими ячейками и по- вышенной плотностью (до 224 кг!м?), которые действуют как укрупнители капель; пакеты второй ступени имеют низкую плот- ность (96—112 кг1м?). Различная плотность упаковки пакетов ТАБЛИЦА II.9 Характеристики сеточных туманоуловителей, применяемых для различных целей Туманоуловители Пористость % Поверхность проволоки M*]MZ Плотность упаковки (стальные сетки), кг/м* Общего назначения Для чистой жидкости при средней 98 330 160 скорости фильтрации Для загрязненной жидкости при вы- 97,5 400 182 сокой скорости фильтрации . . . Для загрязненной жидкости с твер- 99 200 96 дыми частицами при большой ско- рости фильтрации 98,5 230 112 109
достигается путем изменения высоты гофр и величины ячеек в сетках. В нижнем пакете поддерживается режим затопления; при этом улучшается промывка пара или газа, увеличивается скорость движения капель и их инерционный захват расположенными выше сетками пакета. Практически было установлено, что эф- фективность улавливания тумана на смоченных сетках более вы- сокая, чем на сухих. Расстояние между ступенями должно соста- влять около 3/4 диаметра колонны. Двухступенчатые сеточные сепа- раторы использовались для очистки Рис. 11.20. Выносные сеточные сепараторы: а — вертикальный; б — горизонтальный; 1 — пакет сеточного брызготуманоуловителя; 2*— люк. тумана фосфорной кислоты в процессе ее получения сжига- нием фосфора30; эффективность улавливания была более 99,96%. Медианный весовой размер частиц составлял 1,1— 1,8 мкм, выходная концентрация 10—25 мг/м5, Ар — 8,5— 10 кн/м2 (850—1000 мм вод. ст.). Замена насадки вследствие за- бивания атмосферной пылью требовалась через 14 месяцев. В сеточных туманоуловителях захват капель жидкости про- исходит за счет инерционного столкновения и эффекта касания. Осажденные на проволоке капли в виде пленки перемещаются к точкам перекрещивания проволок, где образуются крупные капли, способные под действием силы тяжести преодолеть силы поверхностного натяжения и аэродинамического сопротивления восходящего потока и упасть на нижние слои сеток навстречу потоку газов (пара). Подобная картина наблюдается до определен- ных значений нагрузок по газам (пару) и жидкости. При некото- рой скорости газов (пара) жидкость заполняет большую часть сво- бодного объема слоя насадки и часть ее захватывается проходя- щими газами, т. е. возникает вторичный унос. Максимально до- 110
Рис. 11.21. Зависимость сопро- тивления Др увлажненных се- точных пакетов толщиной 100 мм и плотностью упаковки 182 кг/м3 от скорости газов и при расходе жидкости в виде капель (кг/(м2-ч): I — 97.5; 2 — 24,4. пустимой считается нагрузка, при которой не наблюдается вто- ричный унос жидкости; этой нагрузке соответствует максималь- ная эффективность сепарации. Оптимальная скорость газов (пара) перед пакетом при небольшом уносе жидкости рассчитывается по эмпирическому уравнению 26: и = 0,1071/"Рж-^Рд (П.З) Г Рп где и — скорость газов (пара), м/сек', Рж> Рп — плотности жидкости и пара (газов), кг/м3. С помощью этого уравнения можно определить необходимую площадь сечения насадки. Допустимая скорость газов (пара) составляет 0,9—6 м/сек. При боль- шой плотности жидкости и пара, высоком значении поверхностного натяжения, вязкости, концентрации капель и сильной загрязненности жидкости, а также при высо- ком вакууме (4—5,35 кн/м2\ 30— 40 мм рт. ст.) коэффициент в урав- нении (II.3) уменьшают на 10—25%. Следует отметить, что высокая эф- фективность сепарации сеточных кап- леуловителей сохраняется в диапа- зоне изменения скорости газов(пара) от 30 до 110% от оптимальных зна- чений; при этом максимальная кон- центрация жидкой фазы в паре (газах) не должна превышать 100—120 г/м3. В результате расчета гидравлического сопротивления увлаж- ненных сеточных сепараторов с учетом удерживаемой жидкости в нижней части пакета31-37 установлено, что Ар смоченных сеток при исходной концентрации жидкости <5 г/м3 в 1,5—2 раза выше, чем Ар сухих сепараторов. На рис. 11.21 показаны эксперимен- тальные кривые зависимости Ар от скорости газов (пара) и в зави- симости от содержания жидкой фазы в газах36. Ориентировочную эффективность улавливания капель сепара- тором можно рассчитать по уравнению27-34 где Н — толщина пакета, л; S — поверхность проволок (вл/2), находящихся в 1 л/3 насадки; т]а — эффективность инерционного захвата капель заданного размера одной сеткой, доли единицы; п — число сеток в пакете, расположенном перпендикулярно газовому потоку. ш
Значение т]а определяется по эмпирической кривой Уонга и Ранца (рис. 11.22), исходя из значений критерия Стокса и без- размерного параметра: 18р^аи ~ РРж Для расчета эффективности сепарации пакетом всех капель необходимо располагать данными о распределении по размерам капель уносимой жидкости. На рис. 11.23 показана кривая зави- симости фракционной эффективности сепаратора, состоящего из Рис. 11.22. Зависимость эффектив- ности инерционного захвата капель сеткой от параметра <р. Рис. 11.23. Сравнение расчет- ных и экспериментальных дан- ных по фракционной эффектив- ности сеточного сепаратора. 92 сеток с проволокой диаметром 0,152 мм, пористостью 98,6%, общей толщиной пакета 152 мм при и (рг/рж)0,5 = 0,111. Так как распределение капель по размерам в реальных усло- виях эксплуатации определить сложно, расчет эффективности сепарации27 можно проводить, принимая диаметр капель жидко- сти 6—8 мкм. При полном извлечении капель этого размера общая эффективность сепарации составляет не менее 80—90%. Снижение эффективности каплеуловителей может быть вызвано высокой дисперсностью капель или плохой герметизацией паке- тов в местах, прилегающих к стенкам. При использовании более тонких проволок для образования сеток, а также при более высо- ких плотностях их упаковки эффективность каплеуловителей снижается, так как тонкие проволочки плохо удерживают капли, а малые размеры промежутков между проволочками способствуют увеличению вторичного уноса жидкости в виде мелких капель. Широкое применение сеточных каплеуловителей в химической и нефтехимической промышленностях позволяет повысить качество получаемых продуктов, увеличить производительность аппаратов или уменьшить их габариты при проектировании, уменьшить по- тери ценных продуктов и предотвратить загрязнение атмосферы. Например, в испарителях морской воды при высокой скорости процесса можно получить конденсат, содержащий менее 0,1 \мг/м3 твердого вещества. Успешно применяются сеточные туманоулови- 112
тели в выпарных аппаратах в производствах найлона, вискозного волокна, целлюлозы, глицерина, сахара, радиоактивных препа- ратов, всех видов неорганических солей и других продуктов 28‘ за- 37. На заводах контактной серной кислоты сеточными туманоулови- телями снижали концентрацию тумана в хвостовых газах до 30—60 мг/м3 при Ар = 294—490 н/ж2 (30—50 мм вод. ст.) и ско- рости газов 4,5—5,4 м/сек 81. Самоочищающиеся волокнистые фильтры. Для очистки высо- кодисперсных туманов с размером капелек менее 5 мкм исполь- зуются волокнистые фильтры, работающие при меньшей скорости фильтрации, чем сеточные каплеуловители. Ранее (гл. I) указы- валось, что улавливание жидких частиц в волокнистых фильтрах сопровождается изменением их структуры. Это приводит к непре- рывному увеличению перепада давления на фильтре и изменению его эффективности по мере накопления жидкости, до тех пор пока фильтрующий слой не войдет в стационарный режим. В стационарном режиме Ар, т), количество удерживаемой жидкости в фильтрующем слое и стекающей жидкости из него остаются постоянными во времени при неизменной скорости фильтрации, при этом количество мигрирующей жидкости равно количеству жидкости, поступающей в слой. Неравномерность свойств фильтров, работающих в режиме самоочищения, тем больше, чем плотнее фильтрующий слой и меньше диаметр волокон. Изменение эффективности и сопротивле- ния слоя происходит вследствие утолщения и слипания волокон, заполнения части пор жидкостью и увеличения истинной скорости газов в слое. Значительная часть энергии газового потока расхо- дуется на продавливание жидкости в порах, разрыв жидких пленок и поддержание части пор в открытом состоянии. Максимальное количество жидкости при фильтрации тумана через горизонтальный фильтр сверху вниз содержится в замыка- ющем слое. Увеличение вязкости жидкости способствует резкому возрастанию Ар. Перемещение уловленной жидкости в пористом слое происходит под действием силы тяжести, аэродинамических и капиллярных сил. Влияние каждой из составляющих зависит от структуры слоя, скорости фильтрации, направления потока газов и других факторов. Неоднородность структуры слоя обуслав- ливает локальное накопление жидкости и формирование путей отвода ее из слоя. Было показано39, что оптимальной является структура, включающая в определенном соотношении грубые и тонкие во- локна. Грубые упругие волокна обеспечивают равномерное объем- ное распределение тонких волокон, придают слою механическую прочность и стабильность и дают возможность использовать тонкие волокна по всей глубине фильтра. Обычно в самоочищающихся фильтрах используют волокна диаметром 5—30 мкм, причем основная масса волокон имеет размеры от 5 до 15 мкм. 8 В. Н. Ужов 113
Стекловолокнистые фильтрующие элементы с однородной же- стко фиксированной структурой изготавливают путем нагревания плотно упакованных слоев при t = 450—500° С в течение одного часа; при этом происходит снятие напряжений, возникающих при уплотнении. В результате получаются жестко фиксированные, достаточно прочные элементы определенной формы (без спекания волокон), сохраняющие свое положение в фильтре при насыщении жидкостью. Рис. 11.24. Капли воды, осажденные на различных волокнах: / — стеклянном (без обработки); 2 — стеклянном, обработанном силиконами; 3 — поли- эфирном. Элементы изготавливаются обычно в виде жестких толстостен- ных цилиндрических труб с внутренним диаметром до 300 мм и более и длиной до нескольких метров или в виде плоских слоев; трубы предпочтительнее вследствие возможности получить боль- шую поверхность фильтрации. Пористость элементов варьируют от 92 до 98%, а толщину слоев — от 50 до 75 мм. После отжига элементы могут подвергаться гидрофобизации (обработке кремний- органическими жидкостями). Установлено 39, что в результате ги- дрофобизации значительно увеличивается эффективность осажде- ния тумана (с 90% до 99,8%); это объясняется тем, что в этом случае осажденные капельки не образуют сплошной пленки на волокнах. Эффективным оказалось также применение лавсановых волокон. На рис. 11.24 показаны уловленные капли воды на раз- личных волокнах. Трубчатые элементы монтируются между цилиндрическими сетками или решетками, изготовленными из сталей специальных марок, винипласта, армированного стеклопластика или других 114
Коррозионностойких материалов (рис. 11.25). На рис. П.26 пока- зано размещение таких элементов в корпусе сернокислотной абсорбционной колонны. Для герметизации места уплотнения набивают очень тонким стеклянным волокном. Направление потока фильтруемого тумана через цилиндрические элементы может быть от периферии к центру или обратное. В фильтрах с горизонтальными слоями поток (во избежание захлебывания) может быть только нисходящим. В некоторых конструкциях Рис. 11.26. Размещение филь- трующих элементов в абсорб- ционной сернокислотной ко- лонне: 7 — Элементы; 2 — опорная ре- шетка; 3 — корпус колонны; 4 — люк для монтажа. элемен- тов. Рис. 11.25. Цилиндриче- ский элемент туманоуло- вителей: 7 — стекловолокннстый слой, насыщенный жидкостью; 2 — стекловолокнистый слой; 3 — сетки; 4 — опор- ная решетка; 5 — уплот- няющее кольцо; 6 — гидро- затвор. в дне элементов находится трубка, погруженная в гидрозатвор с переливом для отвода уловленной жидкости 40—4Э. Сопротивление неорошаемых водой мокрых стекловолокни- стых фильтров составляет 490—2950 н/м2 (50—300 мм вод. ст.) при скорости фильтрации 0,15 м/сек, обычно оно примерно в 2— 5 раз больше, чем сухих. Для орошаемых форсунками фильтров с плотностью набивки стеклянного волокна 128 кг/м? Ар — = 3,72 кн/м2 (380 мм вод. ст.). Скорость фильтрации в зависимости от требуемой эффективности и дисперсности тумана составляет от 0,025 до 0,3 м/сек. В литературе опубликованы 45-48 сообщения о фильтрах, работающих при высоких скоростях (от 0,5 до 4 м/сек). В этом случае жидкость быстро и почти полностью продавливается через фильтрующий материал, поэтому эффективность их мало отли- чается от сухих, однако за ними часто необходимо устанавливать каплеуловители. 8* 115
В условиях фильтрации туманов солей состояние уловленного раствора в значительной мере зависит от величины относительной влажности газов в потоке. Если относительная влажность воздуха меньше, чем равновесная влажность его над раствором, то на во- локнах может происходить кристаллизация солей и образование плотной корочки. Это явление часто предотвращается орошением слоя или увлажнением газов; образование нерастворимых солевых отложений (СаСО3, CaF2, CaSO4 и др.) на волокнах может проис- ходить в результате взаимодействия солей жесткости воды с га- Рис. 11.27. Самоочищаю- щийся стекловолокни- стый фильтр с цилин- дрическими элементами для улавливания тума- нов: 1 — дренажные трубки (гид- розатворы); 2 — фильтрую- щие элементы; 3 — гумми- рованный корпус; 4— труб- ная поливинилхлоридная ре- шетка; 5— крышка из орга- нического стекла. зами (СО2, HF, SO3 и др.). Если в’ газах кроме жидких частиц содержатся твердые частицы, то элементы целесообразно орошать форсунками, что способствует лучшей промывке слоя. Кроме того, в установках обычно предусматриваются резервные элементы для замены засорившихся. Срок службы гидрофобных стекловолокнистых элементов прак- тически составляет 6 месяцев, а элементов из полиэфирных воло- кон — значительно больше. Самоочищающиеся волокнистые фильтры наиболее широко применяются 36 39’ 41 для улавливания туманов серной и фосфор- ной кислот с концентрацией от 0,23 до 92 гЛи3. Успешное их при- менение лимитируется устойчивостью волокон и других деталей к агрессивным воздействиям кислот. Силиконовые покрытия разрушаются со временем в серной кислоте; более устойчивы полифеновые и полипропиленовые волокна. В последнее время получены составы стекол, стойкие в серной кислоте любой концен- трации. На рис. 11.27 показана конструкция самоочищающегося стекло- волокнистого фильтра. Каждая фильтрующая труба собирается из шести элементов длиной 254 мм', в фильтре 40 труб, его высота 116
составляет 1,8 м. Фильтр устанавливается в помещении так, чтобы над ним было примерно 3 м свободного пространства для смены труб. Фильтры подсоединяются к коллектору газов через V-образные газоходы, служащие гидрозатворами при заливке аппаратов перед ремонтом. Для обнаружения утечек через неис- правные трубы крышка аппарата изготавливается из органиче- Газы 2 -11 газы Рис. 11.28. Волокнистый самоочищаю- щийся фильтр с горизонтальным слоем: 1 — опорная колонна; 2 — патрубок для спуска конденсата; 3 — люк; 4 — футеровка корпуса; 5 — фильтрующий слой; 6 — кор- пус; 7 — штуцер для ввода газов; 8 — загру- зочный люк; 9 — крышка; 10 — распредели- тельная н загрузочная решетка; И — штуцер для выхода газов. остановка по ского стекла-; внутренняя поверхность корпуса гуммирована, а трубная решетка изгото- влена из поливинилхлорида. Установлено 33 47, что эффективность самоочищаю- щихся волокнистых фильт- ров по очистке хвостовых газов сернокислотных заво- дов после электрофильтров составляет 99,5%, выходная концентрация—около 1 мг!м3. Концентрация высокодис- персного тумана H2SO4 на заводе контактной серной кислоты при исходной кон- центрации 175 мг!м3 (в пере- счете на SO3) снижалась до 2,5 мг!м3 (т] = 98,5%) при Др = 2,26—2,55 кн/м2 (230 — 260 мм вод. ст.')-, элементы фильтра заменялись вслед- ствие забивания твердыми частицами через 9 месяцев. В литературе 36 описана фосфорной кислоты с концентрацией от 5 до 85 г/м3-, производи- тельность ее равна 9,5 м3/сек (34 000 м3/ч). При исходной кон- центрации 40 г/м3 (в пересчете на Р2О5) эффективность очистки составила 99,998%. При наличии в тумане паров плавиковой или кремнефтористой кислот элементы должны быть изготовлены из синтетических волокон. В Советском Союзе также нашли приме- нение самоочищающиеся волокнистые фильтры S1. В произ- водстве контактной серной кислоты контактные газы после башни- конденсатора очищаются от тонкодисперсного тумана H2SO4 в самоочищающемся волокнистом фильтре с горизонтальным фильтрующим слоем (рис. 11.28). Ниже приводится характеристика промышленного волокни- стого фильтра и показатели его работы 50: Внутренний диаметр, мм ........ 5030 Высота волокнистого слоя, мм 300 Диаметр волокон, мкм ................................ 25 Производительность, м3/сек (м3/ч)................. 3,5(12 500) 117
Гидравлическое сопротивление, н/м~ (кгс/я?) . 3900 (400) Концентрация тумана на входе, г/м3 50 Эффективность очистки, %.......................... 99,7 Средний радиус частиц тумана, мкм на входе . 0,3 » выходе . . . . . . 0,2 На рис. П.29 приведена другая конструкция самоочищающе- гося волокнистого фильтра, предназначенного для улавливания туманов и растворимых солевых аэрозолей радиохимических Рис. 11.29. Волокнистый самоочищающийся фильтр для улавливания тумана: 1 — крышка; 2 — кожух; 3 — фильтрующая насадка; 4 — решетка; 5 — патрубок для слива конденсата; 6 — патрубок для ввода газов; 7 — патрубок для пара; 8 — патрубок для выхода газов. производств 12. Для предотвращения солевых отложений в фильтр вместе с газами вводится мятый пар, обеспечивающий насыщение газов влагой и конденсацию ее в слое. Стекловолокнистые самоочищающиеся туманоуловители46-48 широко применяются для очистки газов при синтезе аммиака и метанола, в процессах хлорирования и сульфирования, в про- изводстве азотной кислоты, хлора, для очистки компрессорного воздуха при давлениях до 37,5 Мн/м2 (375 ат). В табл. 11.10 приведены параметры технологических газов, определяющие воз- можность их очистки в волокнистых туманоуловителях. При наличии в компрессорном воздухе тумана воды и масла возможно засорение приборов, коррозия пневматического инстру- мента, загрязнение продуктов, снижение эффективности процес- сов сушки или продувки, а в холодную погоду — замерзание пневматических линий. Поэтому компрессорный воздух необхо- димо очищать. 118
ТАБЛИЦА 11.10 Характеристики технологических газов, очищаемых в волокнистых туманоуловителях Технологический газ Состав тумана Темпера- тура, °C Давление Азот Азотная кислота 32—38 0,47—0,73 Азот Масло 32—50 0,68—20,5 Азот Вода и моноэтаноламин . . . 27—38 1,35 Аммиак Масло 65 0,85—1,0 Ацетилен Вода .... 4—10 0,13 Водород Масло и вода ...... 38 0,013—16,5 Воздух Масло и вода 15—38 0,13—20,5 Воздух Сульфокислоты, серная ки- слота и углеводороды . . . 38—50 0—0,13 Воздух и SO3 Олеум 27—38 0,07—0,14 Газ синтеза метанола Масло 32—38 35,0—37,5 Гелий Масло 15—43 0,55—2,7 Метанол Метанол и загрязнения . . . 85 0,10 НС1 Дифенил и хлорированный дифенил 38—93 0,01—0,07 НС1 Дихлорэтан 10 0,20 НС1 Фенол и хлорфенол 27—32 0,01 НС1 Хлорбензол, толуол и др. . . 20 0—0,006 С12 (сухой) Серная кислота 27—50 0,10—0,35 С12 (сухой) Хлорсодержащие ор ганиче- ские вещества .... 38—60 0,55—1,0 Газ синтеза NH3 Масло ... 21—38 20,5—37,5 Сжатые газы пропускают через цилиндрические элементы обычно в направлении от центра к периферии (рис. 11.30). Сте- кающая эмульсия масла в воде, имеющая низкую вязкость, легко удаляется. Для очистки сухих синтез-газов аммиака и метанола требуются особенно прочные элементы для предотвращения их разрушения, так как уловленное чистое компрессорное масло и сжатые газы при давлении 20—37,5 Мн/м? (200—375 ат) имеют высокую вязкость 46. В процессах сульфирования и хлорирования органических соединений образуются туманы вязких жидкостей. Для очистки этих туманов также необходимы туманоуловители специальной конструкции 46. Для улавливания туманов азотной кислоты после абсорберов устанавливаются высокоскоростные фильтры (рис. II.31) диаметром 375 мм и высотой 500 лии 46. Улавливание частиц размером от 3 мкм и более протекает с эффективностью до 100%; для частиц размером 1—3 мкм эффективность очистки состав- ляет 85—90% и для частиц размером 0,5—1 мкм—70%. Если очищаемые газы не содержат значительных количеств твердых частиц и материалы фильтров коррозионностойки, то срок службы волокнистых туманоуловителей достигает несколь- 119
ких лет. Часто элементы фильтра промывают внутри аппарата, заполняя его горячей водой или специальным раствором. Непрерывно орошаемые волокнистые фильтры. Фильтрующим материалом в таких фильтрах служат грубые стеклянные, синте- Рис. 11.30. Тумано- уловитель для очистки газов при высоком да- влении: 1 — фильтрующий эле- мент; 2 — дренаж. тические или металлические волокна, по- стоянно смачиваемые водой или раство- ром 52> 53. Каждая ячейка имеет размер 0,5 X X 0,5 X 0,2 м, плотность набивки стеклянных волокон диаметром 100—250 мкм составляет 68—80 кг/м3; скорость газов — 1,5 м/сек; частицы в основном улавливаются за счет инерционного эффекта. Первая по ходу га- зов ячейка промывается прямотоком, а сле- дующая — противотоком (рис. 11.32); рас- ход воды составляет 0,4-10-3 м3/м3 газов при давлении 0,04 Мн/м2, (0,4 ат). Обычно за ячейками устанавливается каплеуловитель. Эффективность улавливания субмикрон- ных частиц в этих фильтрах низкая (для частиц размером 2 г = 0,6—0,9 мкм т] = = 13—20%); при улавливании более круп- ных частиц эффективность значительно воз- растает. Применение таких фильтров осо- бенно целесообразно, когда наряду с улав- ливанием взвешенных частиц требуется хи- мическая очистка газов путем абсорбции. Для одновременного улавливания жид- ких и твердых частиц также используются непрерывно орошаемые фильтры, элементами которых слу- жат фетры из полиэфирных или полипропиленовых волокон 54 Рис. 11.31. Высокоскоростной фильтр для улавливания тумана азотной кислоты: 1,3 — штуцера для удаления кислоты; 2 — трубная решетка; 4 —фильтрующий элемент; 5 — монтажный люк. Рис. 11.32. Непрерывно орошаемый во- локнистый фильтр: 1 — уровень воды; 2 — фильтрующая ячей- ка; 3 — форсунка. 120
На рис. 11.33 показана установка для очистки отХоДящйх газов, содержащих туман H2SO4 и пыль двуокиси титана; она служит последней ступенью газоочистительной системы, включающей скруббер и мокрые электрофильтры. Толщина фетра 2—5 мм, масса 1 л3 — 153—238 г, пористость 87—93%, скорость 4 Рис. II.33. Двухступенчатая установка для очистки отходя- щих газов в производстве двуокиси титана: I — форсунки; 2 — первая ступень (орошаемая); 3 — вторая сту- пень (самоочищающийся фильтрующий элемент); 4 — дренаж. газа—0,3—1,50 м!сек, сопротивление — 1,5—2,5 кн!м2 (150— 250 мм вод. ст.). Расход воды в форсунках составляет 1,1 • 10-3— 3,3-10“3 м?1м2 газа. Было установлено, что при концентрациях ТЮ2 до 1 г/л3 и H2SO4 до 3,6 г/л3 фетр улавливает твердые частицы почти полностью, а эффективность очистки от тумана серной ки- слоты составляет 83—98%. Срок службы фетра — 2—3 месяца. ЛИТЕРАТУРА 1. Smucker С. A., Marlow W. С., Ind. Eng. Chem., 46, 176 (1954). 2. Высокоэффективная очистка воздуха, пер. с англ., АтомизДат, 1967. 3. Farrow R. М., Filtration and Separation, 3, 490 (1966). 4. Огородников Б. И., Басманов П. И., в сб. «Радиоактивные изотопы в атмосфере и их использование в метеорологии», Атомиздат, 1965, стр. 403. 6. Киричевко В. Н., Огородников Б. И., П е т р я н о в И. В., Басманов П. И., Атомная энергия, 15, 230 (1963). 5. П е т р я н о в И. В., К о з л о в В. И., Басманов П. И..Огород- ников Б. И., Волокнистые фильтрующие материалы ФП., Изд. «Знание», 1968. 7. Went е V., Ind. Eng. Chem., 48, 1342 (1956). 8. С a d 1 е R. D., Т h u m а п W. С., Ind. Eng. Chem., 52, 315 (1960). 9. Г р и н X., Лейн В., Аэрозоли — пыли, дымы и туманы, пер. с англ., Изд. «Химия», 1969. 10. К е i 1 h о 1 z G. W., Nuclear Safety, 8, 360 (1967). 11. Gilbert H., Slaub Reinhaft. Luft., 26, 431 (1966). 12. Крупчатников В. M., Вентиляция при работе с радиоактивными веществами, Атомиздат, 1968. 121
13. Стр иж ев с к и и И. И., Заказ нов В. Ф., Промышленные огнепрё- градители, Изд. «Химия», 1966. 14 Blasewitz A G., Judson В. F., Chem. Eng. Progr., 51, 6 (1955). 15. А 1 b a S., Humph rey A. E., M i 1 1 s N. F., Biochemical Engineering, New York, 1965. 16. Борисова T. Г., Юфер май Ч. Я., Основы технологии антибиотиков и витамина В12, Изд. «Высшая школа», 1967. 17 G a d е n Е. L., Н u m р h г е у А. Е., Ind Eng. Chem., 48, 2172 (1956). 18. Н и m р h г е у А. Е., Ind. Eng. Chem., 52, 62 (1960). 19. Басманов П. И., Фридман Т. И., Петряков И. В., Мед. пром. СССР, № 11, 31 (1959). 29. Dor man R. G , Filtration and Separation, 2, 299 (1965). 21. Przyborowski S., Staub, 25, 291 (1965). 22. S i 1 v e r m a n L., F i r s t M. W., Ind. Eng. Chem., 44, 2778 (1952). 23. Billings С. E., S i 1 v e r m a n L., S m a 1 1 W. D., J. Air Poll. Contr. Assoc., 5, 159 (1955). 24. Billings С. E., Silverman L., Levenbaum L. H., Ku r - k e г С., H i ckey E. C., J. Air Poll. Contr. Assoc., 8, 53 (1958). 25. В i 1 1 i n g s С. E., S i 1 v e r m a n L., J. Air Poll. Contr. Assoc., 12, 455 (1962). 26 Y о r k О. H., Chem. Eng. Progr., 50, 421 (1954). 27. C a r p e n t e r C. L., О t h m e r D. F., A. I. Ch. E. J., 1, 549 (1955). 28. York О. H., P о p p e 1 e E. W., Chem. Eng. Progr., 59, № 6, 45 (1963). 29. Oil Gas J., 54, № 44, 115 (1956); 57, № 35, 59 (1959). 30. С о у k e n d a 1 1 I. W., Spencer E. F., York О. H., J. Air. Poll. Contr. Assoc., 18, 315 (1968). 31. M a s s e у О. D., Chem. Eng., 66, № 14, 143 (1959). 32. Hochstra, Snow, Brail 1, Curtice, Oil Gas J., 58, № 1, 70 (1960); 58, № 2, 70 (1960). 33. J о r d a n G. V., Chem. Eng. Progr., 61, № 10, 64 (1965). 34. А л e к с а н д p о в И. А., Ректификационные и абсорбционные аппараты, Изд. «Химия», 1965. 35. Strauss W., Industrial Gas Cleaning, Pergamon, 1966. 36 Gas Purification Processes, ed. G. Nonhebel, London, 1964. 37. P e г г у I. H., (ed.), Chemical Engineers Handbook, New York, 1963. 38. Kirk M. M., Chem. Eng., 73, № 10, 240 (1966). 39. F a i г s G. L., Trans. Inst. Chem. Eng., London, 36, 475 (1958). 40. В r i n k I. A., Ind. Eng Chem., 50, 645 (1958). 41 В r i n k I. A., Chem. Eng , 66, 183 (1959). 42. В г i n k I. A., Canad. J. Chem. Eng., 41, 134 (1963). 43. В r i n k I. A., Nichols I. H., Electrochem. Technol., 2, 233 (1964). 44. В r i n k I. A., Patton W. F., J. Air Poll. Contr. Assoc., 13, 163, 1964. 45. Brink I. А., В u r g g г a b e W. F., R ausc her J. A., Phosphorus and Potassium, № 22, 28 (1966). 46. Brink I. A., В u r g g r a b e W. F., Greenwel 1 L. E., Chem. Eng. Progr., 62, № 4, 60 (1966); 64, № 11, 82 (1968). 47. В r i n k I. А., В u r g g r a b e W. F., R a uscher I. A., Chem. Eng. Progr., 60, № 11, 68 (1964). 48. В r i n k I. A., L i n t о n F. L., Chem. Eng. Progr., 63, № 2, 83 (1967). 49. Chem. a. Ind. News, 46, № 11, 13A (1968). 50. Я ш к e E. В., А м e л и н А. Г., Хим. пром., № 3 196 (1965). 51. Яшке E. В., А м e л и н А. Г., К а р и о в а Р. П., Васильева Н. Г., Хим. пром., № 9, 591 (1968). 52. F i г s t М. W., Moschella R., Silverman L., В е г 1 у Е., Ind. Eng. Chem., 43, 1363 (1951). 53. L е а г у J. А., С 1 а г k R. N., Hammond R. Р., Nucleonics, 12, № 7, 64 (1954). 54. М о г a s h N., Krouse М., V о s s е 1 1 е г W. Р., Chem. Eng. Progr., 63, № 3, 70 (1967).
ГЛАВА III ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА (ВОЗДУШНЫЕ ФИЛЬТРЫ) НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ФИЛЬТРОВ Воздушные фильтры служат для обеспыливания в раз- личных системах воздуха, забираемого из атмосферы. К таким системам относятся: приточная вентиляция, кондиционирование и воздушное отопление производ- ственных, служебных и общественных зданий; подача воздуха на технологические нужды; воздушное охлажде- ние газотурбинных энергетических установок и вентиля- ция электрических машин. Приточный воздух необходимо очищать, если макси- мальная или среднесуточная запыленность в районе расположения зданий (в месте забора воздуха) превышает предельно допустимые величины, установленные санитар- ными нормами; кроме того, при использовании очищенного воздуха предотвращаются загрязнения пылью внутренних поверхностей помещений и оборудования и при требуемых кратностях воздухообмена создаются нормальные условия работы. В ряде химических производств высокоскоростные турбокомпрессоры и другие воздуходувные машины по- дают большие объемы атмосферного воздуха. Твердые частицы запыленного промышленного воздуха могут оса- ждаться на лопатках, стенках цилиндров, клапанов и вызывать их эрозию; при этом снижается эффективность сжатия и уменьшается производительность машин; часто это приводит к преждевременной остановке дорогостоя- щего оборудования на ремонт. В некоторых случаях частицы пыли проходят через воздуходувные машины и осаждаются на поверхности гранул катализаторов, постепенно снижая их активность. В этих условиях очистка воздуха совершенно необхо- дима. Не менее важно очищать приточный воздух в тех производствах, где технологические газы или вытяжной воздух подвергаются высокоэффективной фильтрации, с целью продления сроков службы дорогостоящих филь- трующих установок тонкой очистки. 123
Запыленность воздуха в районах расположения предприятий изменяется в широких пределах в зависимости от удаленности от источников выброса пыли в атмосферу, сезонных и погодных условий и других обстоятельств. В табл. III. 1 приведены ориенти- ровочные значения запыленности приземного слоя воздуха в раз- личных населенных районах. ТАБЛИЦА II! i Характеристика запыленности атмосферного воздуха в различных районах Район Медианный диаметр частиц, мкм Концентра- ция пыли мг/мъ Размеры частиц мкм Сельская местность ..... 0,8—2 0,05—С, 15 0,05—5 Жилые районы крупных городов . 7 0,1-0,5 0,1—60 Промышленные районы городов . . . 20 0,5 -1,0 0,1—100 Территории заводов с большим ко- личеством выбросов 60 0,1—1000 Установлено х, что почти во всех районах наиболее устойчивые концентрации пыли создаются частицами размером 0,5—2,0 мкм. Пыль по химическому составу может быть разная, но почти всегда она содержит сажу, смолистые вещества и короткие органические волокна (линт) Грубая пыль с частицами крупнее 10 мкм довольно быстро оседает и обычно является временным загрязнением, чаще всего это продукты ветровой эрозии, выбросы котельных и промышлен- ных предприятий. Крупные частицы составляют основную долю в пыли при концентрации их ТАБЛИЦА Ш.2 более Oj5 мг/м^ Классификация воздушных фильтров Требуемая степень обеспы- Класс Размеры улавливае- мых частиц мкм ливания воздуха широко изме- эффектив- няется и зависит от конкретных ностьочистки уСЛ0БИй Высокие требования по обеспыливанию предъяв- III II I !Г\УУ 1—* о ляются для помещений, в кото- Не менее 60 рЫХ выпускаются фармацевти- » » 99 ческие, фотографические и не- которые пищевые продукты. Еще более высокие требования для помещений производств особо чистых химических реактивов, прецизионных электронных приборов и др. Выбор типа воздушного фильтра зависит не только от необ- ходимой степени очистки, но в некоторых случаях и от максимально допустимого размера частиц пыли в очищенном воздухе, а также от концентрации и дисперсности исходной пыли, возможности 124
размещения фильтров и других факторов. Для увеличения срока службы фильтров необходимо максимально снижать входную концентрацию запыленного воздуха и учитывать при установке фильтра господствующее направление ветра по отношению к источ- нику пыли, правильно выбирать точку забора и принимать меры к снижению пылевыделения на территории и на предприятиях. В связи с многообразием требований, предъявляемых к филь- трам, разработано много конструкций воздушных фильтров и фильтрующих элементов, классификация которых приведена в табл. III.2. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ФИЛЬТРОВ Для правильной оценки работы фильтров в условиях их эксплуатации потребовалась разработка методов стендовых испы- таний. При этом возникли трудности из-за сложности моделирова- ния реальных атмосферных аэрозолей искусственно создаваемыми 1 — нагнетательный трубопровод от воздуходувки или компрессора; 2 — водомводоотде- литель; 3 — измерительная диафрагма; 4 — ртутный дифманометр; 5 — деагломератор с классификатором Гонеля; 6 — пылепитатель; 7 — всасывающий коллектор; 8 — микро- манометры; 9 — испытуемый пылеуловитель; 10 — дроссель-клапан; II — центробежный вентилятор; 12 — электродвигатель. пылями. Предельно допустимая концентрация пыли при таких испытаниях 2- 3- 4 не должна превышать 1,5 jhs/jm3, а для фильтров грубой очистки (III класса) она должна составлять 5—10 мг!м?. Для определения характеристик воздушных фильтров II и III классов в НИИСТ разработана методика, предусматривающая искусственное дополнительное запыление атмосферного воздуха кварцевой пылью с частицами размером до 10 мкм, получае- мыми при отвеивании этой фракции в классификаторе Гонеля из пылевидного кварца (ГОСТ 9077—59). Схема стенда 3 для испы- таний воздушных фильтров приведена на рис. III. 1. 125
Для сравнительных испытаний пылеуловителей рекомендуется3 использовать кварцевую пыль трех типов, получаемую при размоле на вибромельнице ВНИИСМ типа М-10 пылевидного таблица ш.з кварца КП-3. Характеристика Параметры кварцевой пыли этих пылей приведена в для искусственного запыления табл. II 1.3. пылеуловителей За рубежом в качестве стан- Тип пыли Медианный ; диаметр частиц, мкм дартных искусственных пылей поверхность при стендовых испытаниях воз- ПСхХХлХ/г ДУШНЫХ фИЛЬТрОВ ПРИНЯТЫ пыли разных видов. В соот- 1 2 3 3±0,2 5±0,3 8±0,5 ветствии с английской методи- 'в ООО кой (стандарт № 2831) для 5 800 испытаний используют, алокси- товую пыль (окись алюминия) или аэрозоль красителя метиленового голубого, получаемого путем распыления 1%-ного раствора красителя в дистиллирован- ной воде с последующим испарением капелек в воздушном потоке 5. 2г, мим Рис. III.2. Интегральное распределение частиц различных аэрозолей по разме- рам: 1 — туман диоктил фталата (США); 2 — аэрозоль метиленового голубого (Англия); 3 — аэрозоль хлорида натрия (Англия); 4, 5, 7 — кварцевая пыль (ФРГ); 6, 8 — алокситовая пыль (Англия); 9 — дорожная пыль (США). В ФРГ для испытаний используют кварцевую пыль трех видов: А, В, С, максимальный размер частиц которых соответственно составляет 5, 15 и 25 мкм. При испытании создаются следующие 126
концентрации: для пыли А — 2 мг/м\ для пыли В — 3 мг/м?, для пыли С — 5 Л1г/ж3; максимально допустимые концентрации соответственно равны 5; 5 и 10 мг/мг. Кварцевые пыли плохо коагулируют, поэтому при работе фильтров на других пылях с такой же дисперсностью и концентрацией эффективность их не должна ухудшаться 6- 7. По методике института воздушных фильтров США для испы- таний используется смесь дорожной пыли размером до 80 мкм (72%), сажи (25%) и волокон (3%); 60% по массе этой пыли имеют размеры до 10 мкм. На рис. III.2 приведены кривые распределения частиц по размерам для пылей, используемых при испытаниях. Следует отметить, что даже при наличии данных стендовых испытаний наиболее надежной оценкой работы воздушных филь- тров является опыт эксплуатации их в реальных условиях; на основе анализа и систематизации данных промышленной экс- плуатации можно правильно выбрать оборудование и оценить остаточную концентрацию пыли в воздухе за фильтром. ВОЗДУШНЫЕ ФИЛЬТРЫ III КЛАССА (ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ГРУБОЙ ПЫЛИ) Улавливание частиц в большинстве воздушных фильтров, относящихся к III классу, почти полностью происходит в резуль- тате инерционного эффекта осаждения. В фильтрующих материа- лах предусматриваются большие промежутки между улавли- вающими элементами для максимального снижения сопротив- ления потоку при высокой скорости фильтрации (1,5—3,0 м/сек), требуемой для успешного осаждения частиц по этому механизму. Для того чтобы сухие частицы после осаждения при такой ско- рости потока не выносились из фильтра, слои его промасливаются. Одновременно масло защищает металлические сетки от коррозии. Фильтры этого класса часто называют масляными или висцинов ы ми. Эффективность улавливания крупных частиц и пылеемкость фильтров зависят от качества промасливания и свойств масла. Со временем удерживающая способность масляной пленки снижается, так как масло впитывается уловленной пылью и в фильтрах некоторых' типов при этом наблюдается снижение эффективности. В качестве фильтрующей среды в масляных фильтрах часто используют слои толщиной 25—100 мм из проволочных сеток или перфорированных листов, набивные слои из стружек металлов или полимерных материалов, маты или набивки из стеклянных, синтетических или других грубых волокон диаметром 30—250 мкм (щетина, волос, металлическая проволока). Наиболее распростра- ненными конструкциями таких фильтров являются панели, со- стоящие из множества ячеек (кассет), заполненных перечисленными выше материалами, или из крупногабаритных фильтров с непре- 127
рывно (либо периодически) перемещающимися фильтрующими ма- териалами, так называемых самоочищающихся автоматических фильтров. Кассетные регенерируемые масляные фильтры. Кассетные масляные фильтры различаются по размерам, форме и виду филь- трующей среды. Наибольшее распространение у нас и за рубежом получили сеточные фильтры, как наиболее простые и надежные в эксплуатации и высокоэффективные для улавливания грубой атмосферной пыли (размером более 5 мкм). Рис. III.3. Ячейка фильтра Рекка типа ФЯР: а — ячейка» не закрепленная в установочной раме; б — ячей- ка, закрепленная в установочной раме; в—установочная рама. На рис. Ш.З показан унифицированный ячейковый фильтр типа ФЯР из гофрированных промасленных сеток конструкции Е. В. Рекка, изготавливаемый Крюковским вентиляторным заво- дом. Ячейка представляет собой металлическую снаряженную сетками коробку, закрепленную с помощью защелок в установоч- ной раме. При сборке панели установочные рамки скрепляются между собой заклепками или болтами, образуя прочный каркас. Ячейки располагаются перпендикулярно направлению воздушного потока или под углом к нему. Ячейка (малая модель) заполняется 12 рядами гофрированной сетки (ГОСТ 3826—47), образующими три слоя. Первый слой (по ходу воздуха) состоит из пяти сеток (с отверстиями размером 2,5 мм и проволоки диаметром 0,5 мм), второй слой — из четырех сеток (с отверстиями размером 1,2 мм и диаметром проволоки 0,35 мм); последний слой имеет три сетки (с отверстиями размером 0,63 мм из проволоки размером 0,25 мм). Гофры сеток находятся под углом 90° друг к другу, высота их составляет 4—6 мм, шаг гофрировки — 7—10 мм. Большая модель заполняется 18 сетками, также составля- ющими три слоя: лобовой слой включает восемь сеток (диаметр 128
отверстий 2,5 мм, диаметр проволоки 0,5 мм), средний — шесть сеток (диаметр отверстий 1,2 мм, диаметр проволоки 0,35 мм), замыкающий — четыре сетки (диаметр отверстий 0,63 мм, диаметр проволоки 0,25 мм). Ниже приводится техническая характеристика фильтра кон- струкции Е. В. Рекка (малая модель): Размеры, мм: ячейки..................................... 510X510X50 установочной рамки . 520X520X70 Масса ячейки, кг.......... . 8 Площадь рабочего сечения, л2 . 0,22 Сопротивление, н/м2: начальное . 39—49 (4—5 мм вод. ст.) конечное........................... 98 (10 мм вод. ст.) Скорость фильтрации, м3/(м2 -мин) ... 117 Пылеемкость (по пыли с размером ча- стиц < 10 мкм при начальной запы- ленности 0,8—1,6 мг/м3), г!м2 . . . 1500 Расход масла на зарядку, кг 0,2 Эффективность очистки, % . . . . 80 Эффективность этих фильтров 8 при испытаниях в условиях г. Москвы составила 45—50%. Глубина кассеты фильтра большой модели на 50 мм больше, чем малой кассеты. Масса ее составляет 12 кг. Для промасливания кассет применяют вязкие масла; харак- теристики некоторых из них приведены в табл. IIL4. ТАБЛИЦА III 4 Физико-химические характеристики масел для кассетных фильтров Сорт масла гост Плотность ка/ж3 Кинематиче- ская вязкость при 50° С v-Ю6. м2/сек Температура, °C застыва- ния ВСПЫШКИ Вазелиновое 1805 -51 870 6,2—8,3 —60 120 Веретенное № 3 . 1707—51 890 17,0—22,9 —20 170 Веретенное № 2 . . . 1707—51 890 11,4—13,5 —30 165 Парфюмерное .... 4225—54 890 17,0—22,9 —30 160 Фильтр предназначен для очистки воздуха, запыленность которого составляет не более 5 мг!м?. В этих условиях фильтры Рекка должны регенерироваться через каждые 50—250 ч работы; короткий срок их использования является большим недостатком, учитывая трудоемкость операции регенерации. Для нормальной степени замасленности фильтров 9 они должны выдерживаться на стеллажах после промасливания кассет в ванне с веретенным маслом при комнатной температуре в течение 2— 3 суток. 9 В. Н. Ужов 129
На рис. Ш.4 показаны зависимость эффективности и аэроди- намического сопротивления фильтров от пылеемкости (размеры частиц <10 мкм при исходной концентрации пыли 0,8—1,6 мг!мв). Из графиков видно, что эффективность малой и большой моделей практически одинакова, а по пылеемкости и сопротивлению большая модель уступает малой 9. Тщательные исследования показали, что более 90% пыли задерживается первыми 6—8 сет- ками, а использование в замыкающих слоях более мелких сеток не приводит к заметному улучшению характеристик фильтров. Рис. Ш.4. Характеристики фильтров Рекка: 1,3 — эффективность и сопротивление соответст- венно большой модели; 2, 4 — эффективность и соп- ротивление соответственно малой модели. Интересно отметить, что в Англии применяют фильтр, в котором между проволочными сетками заложена хлопчатобумажная сетка, способствующая удержанию масла и выполняющая роль фитиля для подпитки маслом слоя уловленной пыли. На текстильных предприятиях для очистки воздуха от волокни- стой пыли применяют фильтры, снаряженные капроновыми сетками (ситовыми тканями с артиклом 25 и 43), регенерируемыми щетками 10. В этом случае волокнистый слой уловленной пыли является автофильтрующим и эффективность фильтра с течением времени значительно возрастает. Рекомендуемые нагрузки по воздуху в таких фильтрах 83,5—167 мв/(м2 • мин). Фильтры наи- более целесообразно применять для очистки воздуха, поступа- ющего из местных отсосов с запыленностью 10—15 мг!мв и более, так как в этом случае быстро образуется автофильтрующий слой. Кроме кассет с гофрированными сетками применяют кассеты, снаряженные слоями (10—16), состоящими из перфорированных металлических и винипластовых листов 4. Назначение этих филь- тров такое же, как и сеточных, но эффективность и пылеемкость их обычно несколько ниже. На рис. III.5 показана зависимость эффек- тивности очистки и аэродинамического сопротивления от пылеем- кости для различных воздушных фильтров. Ячейковые фильтры 130
типа ФЯВ с винипластовыми гофрированными некорродиру- ющими сетками (производства Охтинского химического комби- ната, ТУ МХП № 2023—49) могут использоваться без замасли- вания. Фильтры ФЯВ, выпускаемые Крюковским вентиляторным заводом, имеют теже габариты, чего сечения — 0,22 ж2, про- изводительность —0,43 м?/сек (при скорости фильтрации 117 ;и3/(ж2-лшн). Начальное сопротивление фильтра соста- вляет 49 н/м2 (5 мм вод. ст.), пылеемкость его при увели- чении сопротивления вдвое составляет 400—450 а/ж2. Эффективность очистки — 70%, масса фильтра — около 5 кг. Губчатые фильтры. В по- следние годы у нас и за рубежом получили распро- странение губчатые фильтры из модифицированного пено- полиуретана (поролона). Эти фильтры также относятся к III классу 11 • 12. В научно-исследователь- ском институте санитарной техники разработан способ получения губчатых фильт- рующих материалов из то- что и фильтры Рекка: площадь рабо- Рис. Ш.5. Зависимость эффективности и сопротивления от пылеемкости для различных воздушных фильтров: 1 — фильтры Рекка; 2 — масляные ячейковые фильтры с винипластовыми сетками ФЯВ; 3 — те же фильтры с сухими сетками; 4 — двухзонные электрофильтры. варного пенополиуретана (поропласт полиуретановый самозатухающий, эластичный, изго- товляемый Рошальским химкомбинатом Московской области, СТУ 35-Х II 598—63) путем обработки его раствором щелочи. Процесс состоит из шести циклов, включающих 20 отжатий между валиками и выдержку в течение 30 мин в щелочном ра- створе при 30° С. В результате такой обработки значительно по- вышается воздухопроницаемость материала вследствие разруше- ния перегородок некоторых пор, но при этом прочность и упру- гость снижаются. Эффективность очистки в этом фильтре умеренно запыленного воздуха составляет около 70—85%, а пылеемкость около 200 а/ж2 по пыли крупностью менее 10 мкм. Эффективность очистки реальной атмосферной пыли с исходной концентрацией 0,085 мг!м* на образцах губчатых фильтров со- ставила 50,7—67%. 9* 131
Рис. III.6. Ячейка губчатого фильтра из пенополиуретана. Фильтрующий материал регенерируется путем его промывки в воде, лучше с мылом, а также обработкой пылесосами. Пенополиуретановый материал можно применять в плоских складчатых фильтрах, а также в фильтрах других конструкций. На рис. III.6 показана ячейка губчатого фильтра типа ФЯП раз- мером 500x500x50 мм, выпускаемого Крюковским вентилятор- ным заводом; объемная производительность фильтра 0,43 мЧсек, масса ячейки — 3,3 кг. Кассетные фильтры из стеклянных и синтетических волокон. Пылеемкость фильтрующих материалов из грубого стекловолокна не превышает 300—500 а/ж2. Таким образом, при нагрузке воздуха 117 м?/(м2-мин) и кон- центрации пыли 1 мг!мъ смену сухих материалов необходимо производить примерно через каждые 50—100 ч работы; в связи с этим их целесообразно использовать только при низ- кой исходной концентрации пыли (zx <0,5 мгАм?). Ячейки фильтра стандарт- ного габарита снаряжают упру- гим, слегка промасленным стек- лянным волокном диаметром 20—30 мкм (фильтры ФЯУ). Производительность ячейки фильтра равна 0,610 м"!сек; соп- ротивление 39 н!м~ (4 мм вод. ст.); эффективность — 80%, а пыле- емкость при увеличении сопротивления до 195 н/м2 (20 мм вод. ст.) составляет 400 г/ж2. Фильтры ФЯУ не регенерируются; материал после запыления заменяется новым. Простота конструкции, дешевизна и доступность стекло- волокнистых матов послужили причиной широкого распростра- нения фильтров этого типа, особенно за рубежом. Фильтры со сменными фильтрующими волокнистыми материалами, как пра- вило, применяют в небольших кондиционерах, а иногда и в более крупных, но одиночных установках, не требующих постоянного обслуживания; периодическая замена насадки занимает мало времени. Не менее широкое распространение получили в последние годы объемные фильтрующие маты из проклеенных синтетических волокон, уложенных в слой с упорядоченной структурой. В ка- честве связующих используются поливинилацетатная эмульсия или латексы, а также термопластичные порошки или специальные волокна с более низкой температурой плавления. Наиболее часто используются полиэфирные (лавсановые), полипропиленовые, поливинилхлоридные и полиамидные (капроно- 132
вые) волокна. Связующее выбирают с учетом его адгезионной спо- собности к волокнам, степени жесткости, сообщаемой материалу, распределения связующего по волокну (идеальное связующее должно располагаться только в точках соприкосновения волокон), устойчивости к промывке и агрессивным воздействиям. Гидрофобность, высокая химическая стойкость, простота из- готовления материалов способствовали их широкому распростра- нению. Синтетические волокна, как правило, используются для из- готовления сухих кассетных фильтров, работающих при более низкой скорости фильтрации, чем масляные. Эффективность улавливания пыли в них несколько выше, но пылеемкость меньше, поэтому обычно используются складчатые конструкции. Мате- риалы должны быть упругими, но достаточно жесткими, так как рыхлые мягкие слои при накоплении пыли сжимаются и при этом происходит унос пыли. Пористость слоя обычно составляет 96— 98%, а основное количество волокон имеет размер от 15 до 30 мкм. Применение волокон диаметром 30—50 мкм дает воз- можность получить жесткие маты с малым сопротивлением, но при допустимой скорости фильтрации эффективность их не- велика. В ЧССР разработаны маты из полиамидных и полиэфирных волокон трех типов 13; они выпускаются под марками НЕФИ-1, НЕФИ-2 и НЕФИ-3. Их толщина составляет 25 мм; масса 1 м2 — 350, 500 и 450 г; диаметр волокон в НЕФИ-1 и НЕФИ-2 равен 40—60 мкм, а в НЕФИ-3 — 25—35 мкм. Эффективность очистки воздуха от пыли, содержащей до 85% частиц размером менее 10 мкм, составила для НЕФИ-1 60—75% (при и = 0,7 м/сек), для НЕФИ-2 40—55% и для НЕФИ-3 70—90% (при и = 1,1 м/сек). Сеточный масляный фильтр, испытанный в тех же условиях, имел эффективность только 40—55%. Маты выдерживали пятикратную водную регенерацию без изменения фильтрующих свойств. Известны также маты из извить!х волокон «вилидон» на основе поливинилхлоридных и полиамидных полимеров, проклеенных латексом. Эффективность этих фильтров по городской пыли 87,1—96,8% прин = 1 м/секи Ар = 39—59н/лг2(4—6 мм вод. ст.). При сопротивлении 147 н/м2 (15 мм вод. ст.) пылеемкость фильтра составляет 600—800 г/м2. На рис. Ш.7 показаны фильтрующие перекрытия, снаряженные матами «вилидон». Эти фильтры успешно применяются8’14 в цехах окраски автомобилей (рис. III.7, 8). Самоочищающиеся автоматические фильтры. Для обеспечения непрерывного действия воздушных фильтров и упрощения их обслуживания, особенно при большом расходе воздуха с концен- трацией пыли до 10 мг/м9, разработаны установки с автоматической регенерацией или заменой фильтрующей поверхности. Известны такие фильтры трех типов; 133
Рис. 111.7. Вилидоновые фильтры, устано- вленные в потолочных перекрытиях цеха окраски. Рис, III.8. Схема кабины для окраски автомоби- лей: 1—предфильтр; 2, 10—вентиляторы; 3—калорифер; 4 — светильники; 5 — фильтры II класса очистки; 6— бай- пасный воздухопровод; 7 — фильтры для улавливания Капелек краски; 8 — решетки; О — вытяжной канал. 134
а) самоочищающиеся масляные фильтры с непрерывной реге- нерацией запыленной подвижной фильтрующей панели путем погружения в ванну с маслом; б) автоматические катушечные (рулонные) фильтры, в которых чистый фильтрующий материал непрерывно поступает с одной катушки, а грязный наматывается на другую; в) автоматические фильтры, промываемые водой из форсунок. Самоочищающиеся мас- ляные фильтры. Они состоят из непрерывно движущейся в верти- кальной плоскости фильтрующей бес- конечной панели и масляной ван- ны. При прохождении через ванну загрязненные участки панели отмы- ваются от пыли и вновь промасли- ваются, а пыль оседает на дне ван- ны в виде шлама. Скорость потока воздуха в таких фильтрах не должна превышать 3 м/сек. Двух- и трехпанельные сеточные самоочищающиеся фильтры марки КДМ семи моделей производительно- стью от 11 до 67 м3/сек (от 40 000 до 240 000 м?/ч) выпускает Харьков- ский завод кондиционеров. В филь- трах установлены последовательно две сетки, каждая из которых пред- ставляет собой непрерывную ленту. Сетки натянуты на валы, из которых верхний — ведущий, а нижний — натяжной. Первая сетка переме- щается со скоростью 0,003 м/сек, вторая — со скоростью 0,001 м/сек. Таким образом, воздух про- ходит последовательно через четыре сетки (рис. III.9). В масляном баке 5 расположены шнек 6 и элеваторное устрой- ство для удаления шлама, механизм промызки сеток, два змее- вика для подогрева масла в зимнее время и маслосъемник 3 для снятия излишков масла с сеток. В табл. III.5 приведены характеристики фильтров марки кдм. Эти фильтры применяются в системах приточной вентиляции и кондиционирования в тех же случаях, что и кассетные фильтры, но при большей производительности и более высокой концентра- ции пыли. Степень очистки зависит от дисперсности и концентра- ции пыли и составляет 90—98 % для пыли крупнее 3 мкм; для более мелкой пыли эффективность снижается до 60%. Рис. III.9. Фильтр масляный самоочищающийся марки КДМ 16006: 1 — механизм промывки сеток; 2 — сетки; 3 — маслосъемник; 4— система подогрева масла; 5 •— бак; 6 — шнек. 135
ТАБЛИЦА Ш.6 Основные технические характеристики самоочищающихся масляных фильтров марки КДМ X арактеристики Марка фильтра кдм 4006 кдм 6006 кдм 8006 КДМ 12 006 КДМ 16 006 КДМ 20 006 кдм 24 006 Площадь фильтрации, м2 3,51 6,38 7,65 11,75 14,65 18,3 22,1 Скорость фильтрации, м3Дм2-мин) 190 156 173 170 182 182 182 Сопротивление, н/м2 132 103 113 113 118 118 118 мм вод. ст 13 10 11 11 11,6 11,6 11,6 Количество приводов *, шт. 1 1 1 1 2 2 2 Емкость масляного бака, м3 0,185 0,570 0,680 0,680 0,875 0,875 1,038 Масса, кг 626 1100 1200 1405 2223 2330 2580 * Б фильтрах всех марок применяется электродвигатель АО2-21-4. Скорость движения сеток лимитируется началом уноса масла; при высокой скорости сетка увлекает слишком много масла, кото- рое, не успевая стечь обратно в ванну, срывается и уносится воздушным потоком. Для обеспечения нормальной работы фильтров и предохране- ния масла от замерзания в зависимости от расчетной температуры наружного воздуха15 применяются следующие сорта масел (табл. III.6). ТАБЛИЦА Ш.6 Физико-химические свойства масел для самоочищающихся сеточных фильтров типа КДМ Масло гост Температура загустевания, °C Температура вспышки, °C Вазелиновое № 1 ... 1840—51 —20 Висциновое 7611—55 —20 165 Индустриальное № 20 (веретенное № 3) . . . 1707—51 —20 170 Индустриальное № 12 (веретенное № 2) . . . 1707—51 —30 165 Приборное МБП .... 1805—51 —40 — Трансформаторное . . . 982—56 —45 — Гидромасло АМГ-10 . . 6794—53 —50 92 По мере насыщения масла пылью оно густеет, при этом ухуд- шается отмывка сеток и увеличивается сопротивление фильтра. Смену масла в ванне при централизованном маслоснабжении сле- 136
дует производить при насыщенности пылью не более 7%, иначе затрудняется прокачивание масла по трубопроводам и его филь- трация через перегородки регенерационной аппаратуры. Для определения периода смены масла т (в сек) пользуются следующим уравнением: т= 103- гыУ ZlW 1] где zM — допускаемая концентрация пыли в масле, г/м3; V — полезная емкость ванны, м3; zx — начальная запыленность воздуха, мг/м3; Vr — производительность фильтра, м3/сек; 1] — эффективность очистки воздуха в фильтре. При начальной концентрации пыли 1—2 мг/м3 пылеемкость фильтра будет исчерпана через 300—500 часов работы. Если учесть, что на заправку фильтров, обслуживающих одно про- мышленное здание, во многих случаях расходуются десятки тонн масла, то становится ясным значение маслоснабжения и регене- рации масел при эксплуатации самоочищающихся масляных фильтров. В среднем масло меняют один раз в месяц; режим смены должен уточняться в зависимости от конкретных условий эксплуа- тации 15. Самоочищающиеся масляные фильтры применяют для очистки воздуха, подаваемого в залы с электрическими машинами; их устанавливают перед турбовоздуходувками доменных печей; ис- пользуют для защиты мощных стационарных дизелей и воздушных компрессоров, а также в большинстве вентиляционных систем различных производств. Кроме ленточных фильтров применяются шторчатые, в которых движущаяся панель состоит из звеньев-шторок, подвешенных к двум бесконечным цепям и перекрывающих друг друга. При входе в масляную ванну полотно автоматически разделяется на отдельные звенья, очищающиеся самостоятельно; по выходе из ванны звенья вновь соединяются, образуя сплошное полотно. Разработаны также самоочищающиеся фильтры шарнирно- шторчатого типа (ФШ), панель которых набирается из перфори- рованных винипластовых листов. Ванны этих фильтров снабжены устройствами для очистки масла от пыли и для механизированного удаления шлама, что позволяет увеличить нагрузку по пыли 2. На рис. III. 10 показан общий вид такого фильтра, а в табл. III.7 приведены основные характеристики этих фильтров. Рулонные (катушечные) автоматические фильтры. Фильтр (рис. III.11) представляет собой камеру, в верхней части которой расположена катушка с намотанным на нее чистым фильтрующим материалом (в виде мата), перемеща- ющимся через проем для прохода воздуха и наматывающимся на нижнюю катушку по мере забивки материала пылью. 137
На фильтре установлены датчик дифференциального манометра или реле времени. При достижении заданного перепада давления прибор автоматически включает электродвигатель и материал передвигается на определенную длину. При этом сопротивление фильтра снижается и материал остается неподвижным до накопле- ния новой порции пыли. После запыления всего материала ру- лона он заменяется новым, так как не может быть использо- ван. Рис. Ш.11. Рулонный автомати- ческий фильтр: 1 — камера для чистого рулона; 2 — мат; 3 — предохранитель, предотвра- щающий выход мата из пазов; 4 — блок управления; 5 — двигатель с ре- дуктором; 6 — опорная сетка. Рис. Ш.10. Общий вид шарнирно-шторчатого са- моочищающегося масля- ного фильтра типа ФШ с механизированным уда- лением шлама. Фильтрующими материалами служат упругие маты из стеклян- ных или синтетических волокон, проклеенные связующими и слегка промасленные. Чаще применяют стекловолокнистые маты толщиной (в свободном состоянии) 50 мм, сматываемые в рулон диаметром 300 мм при длине мата 20 м. В некоторых фильтрах используется более тонкий материал длиной до 37,5 м. Мат в проеме опирается на туго натянутые проволоки, которые удерживают его в направляющих пазах. 138
ТАБЛИЦА ЧП.? Основные технические характеристики фильтров типа ФШ * Хар акте ри стики Марка фильтра ФШ-1 ФШ-2 ФШ-3 ФШ-4 ФШ-5 Номинальная производи- тельность, м3/сек .... Скорость фильтрации, МРЦхР-мин) 5,55 П,1 16,7 22,2 33,3 167 208 175 185 180 Сопротивление фильтра, н/м2 77,5 77,5 68,6 77,5 77,5 Число шторок, шт 17 42 56 56 80 Емкость масляной ванны, jm3 0,3 0,41 0,48 0,56 0,56 Количество секций, шт. . . 1 1 2 2 2 Масса, кг 538 925 1280 1546 — * Фильтры выпускают Серпуховский и Симферопольский механические заводы и Харьковский завод «Кондиционер». (10- Рис. III. 12. Общий вид рулонного фильтра Ауто- Ви фирмы Уоксс (Англия). Сопротивление фильтра составляет 98—117 н/м2 12 мм вод. ст.), но может быть и выше. Нагрузка по воздуху — 100 ms/(m2 -мин). Пылеемкость матов, имеющих переменные плот- ность и размеры волокон по глубине, до- стигает 1 кг/м2-, эффективность очистки по пыли размерами мельче 10 мкм составляет ~9О°/о. На рис. III. 12 показав фильтр Ауто-Ви английской фирмы Уоксс. Эти фильтры широко используются в системах конди- ционирования и приточной вентиляции самостоятельно, а также в качестве пер- вой ступени очистки перед фильтрами II или I класса. Срок непрерывной работы рулона до смены его обычно составляет около 1 года. В Советском Союзе освоено производ- ство рулонных фильтров типа ФРУ, сна- ряжаемых фильтрующими материалами из упругих стеклянных волокон ФСВУ, проклеенных полимерами и слегка про- масленных несгораемыми замасливате- лями (ВТУ МПСМ РСФСР 1—66). Верх- ний предел нагрузки по воздуху (скорость фильтрации) составляет 150 м?/(м2-мин), пылеемкость фильтра (по методике НИИСТ) равна 500 г/м2, сопротивление 147 н/м2 (15 мм вод. ст.). В табл. II 1.8 приведены основные показатели рулонных стекловолокнистых фильтров, выпускаемых Серпуховским меха- ническим заводом. 139
ТАБЛИЦА ш.8 Основные технические данные фильтров типа ФРУ Показатели Марка фильтра Ф12РУ1 Ф8РУ2 Ф6РУЗ Ф4РУ4 Ф2РУ5 Производительность, мЧсек 33,3 22,2 16,7 Н,1 5,56 Начальное сопротивление при и=2,8 м!сек, н/м2 (мм вод. ст.) 39—49 (4—, 5) Площадь рабочего сечения, м2 . . . . 12 7,9 6 4 2 Ширина мата, мм 1020 1020 1020 и 1570 1020 1570 Габариты фильтров, мм: высота 5090 3700 3700 2930 2433 ширина 3152 3152 2651 2101 1600 глубина 300 300 300 300 300 Скорость перемещения мата, м/мин Длина мата в рулоне, м . 0,5 25 Количество катушек, шт. Мощность привода, кет . 6 6 4 0,27 4 2 Количество секций: шириной 1050 мм . 3 3 1 2 — » 800 » . . . — — 2 — 2 Масса, кг 930 717 623 408 353 Для очистки рециркуляционного воздуха систем общеобмен- ной вентиляции в текстильной промышленности разработан рулон- ный фильтр ФРП, снаряжаемый тонким и плотным нетканым (про- клеенным латексом) фильтрующим материалом ФРП 2> 4- 16. В про- цессе перемотки материал очищается от пыли (в основном волокни- стой) пневматическими устройствами. Материал, перемотанный с верхней катушки на нижнюю, реверсируется. Эффективность этого фильтра достигает 90—95%, начальное сопротивление при воздушной нагрузке 167 м3/(м2 • мин) составляет около 98 н/м2 (10 мм вод. ст.). Длина материала в одном рулоне — 100 м. Размеры фильтров ФРП такие же, как масляных самоочища- ющихся типа КДМ. Волокнистые фильтры, промываемые во- дой из форсунок. Конструкции этих фильтров были разработаны в Канаде и известны под маркой «Плиотрон» 17. В качестве фильтрующей среды используется объемный мат из волокон специально разработанного полимера, полученного путем смешения полиэтилена с капроном и дайнелом (сополимера винилхлорида с акрилонитрилом в соотношении 60 : 40). На этих волокнах при прохождении воздуха вследствие удара частиц и взаимного трения волокон возникают значительные электро- статические заряды, способствующие улавливанию субмикропных 140
частиц. Так, например, эффективность улавливания атмосферной пыли, содержащей 66% частиц менее 0,5 мкм, составила 50—60%. Запыленные слои регенерируются автоматически путем про- мывки из четырех распылителей, установленных на одной трубке, перемещающейся вдоль панелей с помощью цепного механизма. Фильтры «Плиотрон» широко используются в промышленности при очистке приточного воздуха в одну ступень, а также в ка- честве предфильтра перед двухзонпыми электрофильтрами типа РИОН. Известны установки производительностью 555 м?/сек. ВОЗДУШНЫЕ ФИЛЬТРЫ II КЛАССА Для более высокой по сравнению с фильтрами III класса сте- пени улавливания атмосферной пыли применяют двухзонные электрофильтры РИОН, а также волокнистые предфильтры. Имеются также специальные конструкции волокнистых фильтров, предназначенные для более эффективной очистки приточного атмо- сферного или рециркуляционного воздуха. Обычно в них исполь- зуются сухие материалы из тонких синтетических или стеклянных волокон с более высокой плотностью упаковки, чем в масляных фильтрах. Такая структура материалов позволяет увеличить улав- ливание мелких частиц за счет преобладающего действия эффекта касания. Скорость фильтрации обычно принимают 0,05—0,25 м!сек, поэтому для сохранения высокой производительности установки (в пересчете на единицу поверхности ее рабочего сечения) мате- риалы в кассетах должны иметь сильно развернутую поверхность. Из-за трудности регенерации таких материалов от уловленной атмосферной пыли фильтрующая среда после запыления до до- пустимого Ар заменяется новой, поэтому она должна быть по возможности недорогой (бумага, нетканые материалы и т. д.). Срок службы ячеек в городских условиях при средней запылен- ности воздуха составляет 1—3 месяца; нагрузка по воздуху выби- рается исходя из фактической запыленности и свойств улавливае- мой пыли с учетом удобства и стоимости замены. На рис. III. 13 показан типичный образец фильтра II класса, снаряженный матами из тонких синтетических или стеклянных волокон. Маты уложены на сетки в глубокие складки и легко заменяются после использования. Скорость воздуха в свобод- ном сечении равна 1,5 м!сек, через среду—0,115 м/сек, \р = = 29,5 н/м2 (3 мм вод. ст.). При снаряжении фильтра более эф- фективным материалом скорость воздуха через слой снижается до 0,075 м/сек. Эффективность фильтра по пыли № 2 (английский стандарт) равна 97% и по аэрозолю метиленовой голубой — 88%. Для повышения эффективности улавливания мелких частиц (<5 мкм) к фильтрующему мату подводится высокое напряже- ние 1Е- 19. Фильтрующий материал укладывается обычным спо- собом между V-образными опорными решетчатыми рамами и стерж- 141
a. Рис. III.13. Склад- чатый волокнистый фильтр: а — общий вид; б — элементы фильтра; 1 — основная рама; 2 — уплотняющая рамка; 3 — вкладыш со сменяемым мате- риалом; 4 — зажим; 5 — уплотняющее устройство. Рис. Ш.14. Принципиальная схема фильтрую- щего элемента волокнистого воздушного фильтр а с приложенным электрическим напряжением: 1 — фильтрующий материал; 2 — подводка постоян- ного тока высокого напряжения; 3 — изолирован- ные опорные стержни. Рис. III.15. Фракционная эффективность различных фильтров: / — двухзонный электрофильтр; 2 — волокнистый фильтр с при- ложенным к нему электриче- ским напряжением; 3 — волок- нистый фильтр без приложения электрического напряжения. 142
нями, изолированными от рамы (рис. III. 14). На металлические стержни подается отрицательный потенциал относительно рамы (U = 3 кв), поэтому стеклянные волокна мата, являющиеся хорошими диэлектриками, поляризуются. При этом отмечается заметное повышение эффективности очистки при скорости фильтра- ции до 0,2 м!сек, особенно от мелких частиц (рис. III.15). За рубежом такие фильтры выпускаются под маркой Элек- тро-ПЛ, Электро-Клин, однако широкого применения они не нашли. коэффициентом проскока Рис. III.16. Схема индиви- дуальной установки двух фильтров марки ЛАИК СП-6/15 в рабочем - помеще- нии: 1 — фильтр; 2 — перегородка бокса; 3 — шиберная заслонка. ВОЗДУШНЫЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ I КЛАССА В рабочих помещениях, где требуется поддерживать стериль- ные условия, например, в производстве фармацевтических препа- ратов, антибиотиков, витаминов и др., обычно используются фильтры тонкой очистки (I класса) с по СМТ не более 0,003%. В этом слу- чае концентрация микроорганизмов в выходящем из фильтров воздухе при- ближается к нулю20. На рис. Ш.16 приведена схема индивидуальной уста- новки двух фильтров марки ЛАИК (СП-6/15) в рабочем помещении. Особо чистый воздух требуется при работах, связанных с применением элек- тронно-вычислительной техники, полу- проводников, при изготовлении преци- зионных электромеханических уст- ройств. При этом все время возрастают требования к фильтрам с точки зрения их надежности в работе 21. Получение особо чистых веществ и работа с ними должны происходить при концентрации пыли в воздухе22 не более 0,02 жг/ж3. Для большинства таких техноло- гических процессов еще не устано- влены предельно допустимые концен- трации и не найдены достаточно про- стые способы определения этих концентраций. Наиболее эффек- тивной оценкой чистоты воздуха в этих случаях 22 является кон- троль числа и размера частиц пыли в единице объема воздуха с помощью анализаторов АЗ-2, счетчиков УОНС и ультрамикроско- пов ВДК-4. Чаще всего с помощью фильтров I класса обеспечивается содержание в 1 м3 воздуха не более 35 000 частиц размером от 0,5 мкм и крупнее и 3500 частиц размером менее 0,5 мкм 21. 143
В производствах фотоматериалов на всех стадиях технологи- ческого процесса, начиная с приготовления эмульсий, необхо- димо полностью удалять из воздуха частицы размером крупнее 1,5 мкм. Так как очистка только приточного воздуха даже в фильтрах тонкой очистки не всегда обеспечивает необходимую чистоту воздуха и в 1 м3 воздуха обнаруживается —107—108 частиц (кон- центрация 0,001 мг/м3), то для проведения работ используются шкафы-боксы, оборудованные дополнительной индивидуальной системой тонкой очистки воздуха на рабочем месте. Часть очи- Рис. II 1.17. Потолочный рукавный фильтр из фильтрующего материала. щенного воздуха направляется на рабочую поверхность шкафа, а другая создает защитную воздушную завесу. В этом случае удается снизить содержание частиц в 1 м3 воздуха до 103—105. Для тонкой очистки приточного воздуха применяются мате- риалы ФПП-70—0,2, ФПП-70—0,5 и ФПП-15—1,5 в форме рука- вов диаметром 200 мм и длиной в несколько метров; рукава подве- шиваются на кольцах к проволоке, укрепленной на потолке поме- щения (рис. III. 17). Рукава сшиваются током высокой частоты по шву из пластикатной пленки, а на входных частях рукавов укладывается второй слой марли. Наиболее ответственные технологические операции проводятся в специально оборудованных помещениях со сверхчистым возду- хом, в так называемых чистых или «белых» комнатах, в которых вся поверхность двух противоположных стен выполнена из вы- сокоэффективных фильтров, так что горизонтальный ламинарный поток отфильтрованного воздуха со скоростью 0,3—0,5 м/сек направлен через всю комнату (рис. III. 18). В последние годы все шире чистые комнаты устраивают с фильтрующими потолками и решетчатыми полами (рис. III. 19). В таких помещениях вслед- 144
ствие отсутствия мертвых зон удается удалить все частицы, обра- зовавшиеся при работе в помещении 23. Для тонкой очистки используются бумажные фильтры на основе ультратонких стеклянных, полимерных и целлюлозно-асбестовых Рис. III.18. Чистое рабочее помещение с’горизонтальным лами- нарным потоком воздуха, очищаемого в высокоэффективных фильтрах, расположенных в боковых стенах. волокон с развернутой поверхностью, в фанерном корпусе (см. гл. II). В США разработаны специальные фильтры с большой площадью лобовой поверхности, но меньшей глубиной складок Рис. III.19. Схема очистки воздуха в рабочем помещении с вертикальным лами- нарным потоком: 1 — успокоитель потока воздуха (буфер); 2 — решетчатый пол; 3 — фильтр; 4 — чистое помещение; 5 — высокоэффективные фильтры; 6 — вентилятор; 7 — предфильтры; 8 — увлажнитель; 9 — угольный адсорбер. 10 В. Н.Ужов 145
(до 20 см). В качестве разделителей в них применяются гофриро- ванные клиновые вставки, которые увеличивают поверхность в единице объема корпуса 24. В качестве предфильтров используют фильтры с эффективностью 65% (по атмосферной пыли). Опорные рамы, применяемые при монтаже фильтров, должны быть прочными с тем, чтобы они выдерживали вес фильтров, противостояли вибрации и давлению воздуха. Уплотнение их лучше осуществлять с помощью прижимов с пружинами для ком- пенсации усталостных изменений в герметизирующих резиновых прокладках. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУШНЫХ ФИЛЬТРОВ Важнейшей эксплуатационной характеристикой фильтров для очистки воздуха является скорость роста сопротивления по мере накопления в них пыли. Установлено 26, что скорость забивания большинства высокоскоростных фильтров зависит от наличия в пыли линта (коротких волокон), жидких смолистых веществ и тонкодисперсной сажи; к тому же при реге- нерации всеми способами они обычно плохо удаляются из фильтрующей среды. В город- Рис. III.20. Зависимость пылеемкости различных стекловолокнистых матов от содержания линта в атмосферной пыли. Характеристики кривых: 2а, мкм Н, см и, м/сек 1. 20—104 5 1 5 2. 34 2 5 1 5 3. 1,4 1,3 0,25 ских условиях 19 весовое со- держание линта в пыли из- меняется в пределах от 2 до 30%, вследствие чего при стендовых испытаниях фильт- ров по различным модельным пылям и по атмосферной пыли эффективность и пылеем- кость их значительно меняют- ся (рис. Ш.20). В табл. III.9 приведены результаты испы- таний фильтров по методике американского института фильтров 5 и по английской методике (пыль № 2). Из данных табл. III.9 следует, что при сравнительно неболь- шом изменении эффективности пылеемкость изменяется в 8,3— 16,7 раза в зависимости от выбранной методики испытаний. Для фильтров I и II классов наличие линта оказывает гораздо меньшее влияние на рост сопротивления. Волокна размером 8—9 мкм, находящиеся в воздухе, образуют слой, который иногда способствует продлению сроков службы фильтров тонкой очистки, работающих без предфильтров. 146
Образцы промышленных и опытных фильтров разного класса испытывались 19 на модельной угольной пыли и реальных атмо- сферных аэрозолях. Медианный весовой диаметр угольных частиц составлял 2,7 мкм-, в поток пыли одновременно вводили 6% (по массе) волокон из специального генератора. Характеристики 22 образцов из 30 испытанных приведены в табл. ШЛО. Более высокая эффективность по угольной пыли объясняется тем, что частицы этой пыли крупнее (2гм. в = 2,7 мкм), чем в атмосферной пыли (2гм в = 2,2 мкм), и величина заряда почти в три раза выше. ТАБЛИЦА III.9 Сравнительные результаты испытания, фильтров при увеличении Др до 324 н/м2 (33 мм вод. ст.) Фильтр Методика AIF Английская мето- дика (пыль № 2) эффектив- ность весовая % пылеем- кость г/л2 эффектив- ность весовая % пылеем- кость г/л2 Волокнистый 76 385 70 6200 Волокнистый 70 242 35 4050 Пенополиуретановый . . 59 870 22 7200 Эффективность в основном зависит от диаметра волокон и их количества в пересчете на единицу поверхности; форма воло- кон почти не оказывает влияния. Было установлено 19, что эффек- тивность большинства воздушных фильтров по атмосферной или модельным пылям при обычных условиях их эксплуатации является функцией параметра П = £2аэ = - (рис. III.21). лсф ° В соответствии с величиной этого параметра все фильтры авторами разделены на четыре группы (табл. III. 11). На рис. II 1.22—23 показана зависимость эффективности и со- противления ряда образцов фильтров от пылеемкости по угольной пыли, содержащей около 6% линта, а на рис. III.24 приведена фракционная эффективность некоторых незапыленных фильтров. Для каждой фильтрующей среды характерна своя форма фрак- ционной кривой, причем резкое увеличение эффективности улав- ливания частиц крупнее 2—4 мкм указывает на преобладание инерционного осаждения. Эффективность улавливания частиц с размерами 0,3—1 мкм соответствует осаждению за счет касания, а еще более мелких частиц — диффузионному осаждению. В филь- трах грубой очистки улавливание частиц меньше 2 мкм составляет 10—20%; эти фильтры очень чувствительны к изменению скорости воздушного потока. Увеличение скорости с 0,5 м/сек до 1,5 м/сек 10* 147
ТАБЛИЦА III.10> оо Характеристика воздушных фильтров № образ- цов Фильтры или фильтрую щий материал Масса 1 м2 ма- териала г Эффек • тивный диаметр волокон 2оэ, мкм Пори- стость % Толщина фильт- рующего материа- ла, см Скорость фильт- рации м/сек Гидравлическое сопротивление, Др Эффективность, % н/мг ММ вод. ст. по уголь- ной пыли по атмо- сферной пыли 1 Стекловолокнистые; А 107 4,16 99,43 0,8 0,127 24,5 2,5 67,4 20,9 2 В 46 1,09 99,8 1,0 0,127 44 4,5 97,0 61,1 3 С 49 1,06 99,7 0,7 0,127 86 8,8 98,9 70,8 4 Фильтры из полимерных волокон: А . . 116 1,18 99,7 1,7 0,21 35,3 3,6 98,2 — 5 В . . . . 139 6,91, 99,71 0,32 0,21 50 5,1 70,8 — 6 С 246 48,0 98,23 0,93 0,21 7,85 0,8 45,8 — 11 Маты клееные . . . 73,6 10,6 97,5 0,20 0,285 30 3,1 45,4 33,7 13 Ткань фильтровальная 368 8,85 68,1 0,08 0,21 39,2 4,0 89,9 — 14 Войлок 318 11,7 93,9 0,35 0,21 33,4 3,4 68,1 48,9 15 Тонковолокнистый высо- коэффективный фильтр 57 0,4 93,0 0,03 0,127 88 9,0 99,95 — 17 Сеточный масляный фильтр: А . 1370 1020 96,5 5,0 2,60 32,4 3,3 29,9 — 18 В 1950 815 92,5 5,0 2,50 41 4,2 39,6 — Продолжение табл. III.10' № образ- цов Фильтры или фильтрующий материал Масса 1 м2 ма- териала г Эффек- тивный диаметр волокон 2сэ, мкм Пори- стость % Толщина фильт- ' рующего материа- ла, см Скорость фильт- рации м/сек Гидравлическое сопротивление Др Эффективность, % н/м2 ММ вод. ст. по уголь- ной пыли по атмос- ферной пыли 19 Алюминиевая стружка А 1620 166 99,14 7,0 3,00 50 5,1 25,2 21,3 20 » » В 4870 4780 95,5 4,0 2,00 30 3,1 15,8 — 21 Полиэтиленовые маты. 558 258 86,7 0,4 1,75 41 4,2 47,6 8 22 Пенополиуретан, круп- ноячеистый 741 211 97,2 2,5 1,75 24,6 2,5 22,6 10,4 23 Пенополиуретан, мелко- ячеистый 492 36,7 96,78 1,4 0,60 44 4,5 48,3 40,4 24 Стекловолокнистые ма- ты, промасленные . . 239 42,2 99,6 2,5 1,50 17,7 1,8 50,7 27,7 25 То же 2730 105 99,33 5,0 1,50 2,6 2,7 44,0 — 26 Стекловолокнистые ма- ты с приложенным электрическим напря- жением 71,Г 35,2 96,96 0,1 0,049 9,8 1,0 67,8 39,6 27 То же без напряжения 71,1 35,2 96,96 0,1 0,049 9,8 1,0 30,5 13,7 28 Двухзонный электро- фильтр — — — — 3,25/2,50 95 9,7 92,5 90,5
в пенополиуретановых фильтрах ведет к снижению эффективности с 97% до 47%, т. е. проскок возрастает в 18 раз. Снижение эффективности улавливания частиц крупнее 5 мкм в фильтрах этого класса (образцы 21—24 по табл. III-10) можно Рис. Ш-21. Зависимость эффективно- сти фильтра от параметра П для раз- личных фильтров (цифры на рисунке соответствуют номерам образцов в табл. III.10). Рис. III.22. Зависимость эффективно- сти различных фильтров от пылеем- кости (цифры на рисунке соответст- вуют номерам образцов в табл. ШЛО). объяснить захватом и уносом уловленных частиц. В промышлен- ных фильтрах это явление не наблюдается. В матах с наложенным электрическим полем (рис. III. 15) срыв частиц не наблюдается, в то время как в двухзонном электро- Рис. III.23. Зависимость сопротивле- ния различных фильтров от пылеем- кости (цифры на рисунке соответст- вуют номерам образцов в табл. ШЛО). Рис. III.24. Фракционная эффектив- ность различных фильтров (цифры на рисунке соответствуют номерам образ- цов в табл. ШЛО). фильтре осажденные частицы крупнее 7 мкм также уносятся и проскок увеличивается в 10 раз. Эффективность улавливания частиц размерами 5—7 и более мкм в высокоскоростных фильтрах зависит от наличия и качества липких покрытий. 150
ТАБЛИЦА III.11 Классификация воздушных фильтров по их рабочим характеристикам Класс фильтра Г идра влическое сопротивление Эффективность незапылен- ных фильтров, вес. % Значение параметра П К/Л42 ММ вод. ст. по атмосфер- ной пыли по угольной пыли Грубой очистки 11,8— 37,3 1,2—3,8 <40 <60 <400 Средней очистки 19,6— 75,5 2—7,7 >40—95 >60—99 >400—2000 Тонкой очистки 24,5— 147 2,5—15 >95—99,99 >99—99,999 >2000— 10 000 «Абсолютные» . . 125—500 12,7—51 >99,99 >99,999 >10 000 ТАБЛИЦА III. 12 Сравнительные характеристики воздушных фильтров по английскому стандарту Фильтр Скорость фильтра- ции, м/сек Гидравличе- ское сопро- тивление Эффективность, % . Пылеемкость г/м2 ' «я мм вод. ст. по пыли № 1 по пыли № 2 цо пыли № 3 по атмосфер- ной город- ской пыли по атмосфер- ной пыли по пыли № 2 Складчатый фе- тровый . . . 0,09 61 6,3 20—55 99,3 90,0 32 59 1000 Набивной во- локнистый 0,115 50 5,1 20—40 97,4 46,0 25 88 1270 Многослойный набивной . . 0,075 57 5,8 50—74 99,0 96,7 60 94 1010 Сменный пред- фильтр из синтетиче- ских волокон 0,38 50 5,1 5—10 93,5 50,6 15 53 590 Катушечный из синтетиче- ских воло- кон: А . . . . 2,75 74,5 7,6 10—30 87,5 68,0 12 140 1880 в . . . . 2,75 14,9 1,52 17—35 91,5 94,2 31 94 1370 Самоочищаю- щийся ма- сляный, се- точный . . . 3,30 62 6,3 0—5 78,2 93,8 Примечание. Пылеемкость определялась при увеличении сопротивления на 124 н/мг в пересчете на фильтрующую поверхность производительностью 0,278 мг/сек. 151
Эксплуатационные и стендовые характеристики типичных образцов воздушных фильтров исследовались 26 в соответствии с английским стандартом. Результаты этих исследований приве- дены в табл. Ш.12. ВЫБОР И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА Предложенная НИИСТ классификация воздушных фильтров, приведенная выше, значительно облегчает их выбор. При проектировании систем очистки воздуха необходимо иметь следующие данные: 1) производительность системы с учетом объема рабочих по- мещений и принятой кратности воздухообмена; 2) наличие места для установки (площадь и высота); 3) содержание пыли в наружном воздухе, тип пыли и ее дис- персный состав (на основе опытных данных, относящихся не- посредственно к объекту); 4) максимально допустимое сопротивление фильтров и требуе- мую остаточную запыленность очищенного воздуха (определяе- мую особенностями производства); 5) температурные пределы, относительную влажность воздуха и требования пожарной безопасности; 6) экономические показатели воздухоочистпых установок. Предельная запыленность воздуха, при которой очистка может проводиться в фильтрах общего назначения, составляет 1—2 мг!мъ. При этом для масляных самоочищающихся фильтров типа КДМ концентрация может быть несколько выше, а для фильтров I класса она не должна превышать десятых долей мг!м\ При выборе фильтров прежде всего учитывают требования по эффективности, а также исходят из допускаемых величин со- противления и пылеемкости, от которых зависят экономические показатели. Пылеемкость оценивают расчетным путем или на основе накопленных данных по эксплуатации аналогичных по конструкции фильтров, работающих в примерно одинаковых усло- виях, что более предпочтительно. При расчете площади фильтрующей поверхности (типоразмера фильтра) задаются воздушной нагрузкой (скоростью фильтрации) и, исходя из запыленности, эффективности очистки и пылеемкости, определяют время достижения допустимого сопротивления для кассетных фильтров или время, через которое необходимо менять масло в ваннах самоочищающихся фильтров или маты в катушеч- ных фильтрах. Если эти интервалы времени малы и удорожают эксплуатацию установки, то следует снизить воздушную на- грузку в допускаемых пределах или использовать фильтры с боль- шей пылеемкостью. В некоторых случаях, если вторичный унос 152
пыли из фильтров исключается, можно увеличить конечное сопротивление. Допустимые сопротивления зависят также от величины по- стоянных потерь в вентиляционной системе. Вентиляторные агре- гаты в системах, включающих фильтры с изменяющимся по мере накопления пыли сопротивлением, должны постоянно обеспечивать подачу воздуха, близкую к расчетной, поэтому следует использо- вать вентиляторы с крутопадающей характеристикой, либо регу- лируемые вентиляционные агрегаты. Обычно это необходимо при применении волокнистых фильтров I и II классов, так как такие вентиляторы позволяют иметь большой запас напора при небольшом изменении производительности. В фильтрах III класса происходит незначительное изменение соп- ротивления с накоплением пыли, однако их эффективность обычно значительно снижается при уменьшении скорости фильтрации. Чем меньше эффективность фильтра зависит от скорости филь- трации, тем она более постоянна в условиях эксплуатации. Фильтры III класса обычно являются элементами приточной ка- меры или кондиционера, устанавливаются перед калориферами и часто служат для предотвращения зарастания последних пылью. Попадание влаги (снега и капель дождя) в систему предотвращается установкой жалюзийных решеток в воздухозаборных отверстиях. Фильтры должны нормально работать при низкой температуре; для этого применяется обогрев масла в. ваннах фильтров, причем нагревательные элементы, в качестве которых целесообразно устанавливать однорядные, легко очищаемые от пыли калориферы, располагают снаружи ванн. Для обеспечения рационального ухода за фильтрами необходимо руководствоваться инструкциями по эксплуатации и корректи- ровать их в соответствии с реальными условиями эксплуатации. При монтаже фильтра следует тщательно герметизировать места прилегания корпуса к стенкам проема камеры во избежание утечек загрязненного воздуха, минуя фильтрующую среду. Гер- метизирующие составы накладываются со стороны более высокого давления. Для обслуживания, фильтров предусматривается свободная зона шириной 0,8—1,2 м. Фильтрующая среда должна быть уда- лена от нагревательных элементов (калорифера), чтобы предот- вратить деформацию (за счет лучеиспускания) в период, когда вен- тилятор отключен, а калорифер еще не остыл. Срок регенерации фильтра следует определять по увеличению перепада давления на фильтре с помощью микроманометров. Не- обходимость смены кассетных фильтров можно установить взвеши- ванием контрольной кассеты. Для бесперебойной работы установки во время регенерации предусматривается запасной комплект кассет. Для регенерации кассет следует иметь специально обору- дованное помещение, в котором размещаются ванна с горячим 153
10%-ным раствором каустической соды для смывания пыли и масла, ванна с горячей водой для промывки сеток, установка сжа- того воздуха для сушки сеток, ванна с маслом для смачивания чистых кассет и стеллажи для укладки сеток и стекания с них из- быточного масла. При проектировании воздухоочистительных установок необ- ходимо правильно расположить воздухозаборное отверстие в ка- мере с фильтрами и обеспечить равномерное распределение воздуха по поверхности фильтра, особенно в масляных самоочищающихся и катушечных фильтрах 2- 7. Следует учитывать, что скорость фильтрации в фильтрах составляет 2—3 м!сек, в то время как в воздухоподводящих каналах она значительно выше (10—12 м!сек и более). Струя воздуха, поступающего в камеру, не успевает расшириться на коротком пути до фильтра, поэтому на отдельных участках повеохность фильтра создаются большие скорости потока и повышается давление, в результате чегс сетки панелей легко прогибаются и могут выйти из направляющих. Кроме того, сни- жается эффективность очистки и создается угроза выноса масла из панелей. Для выравнивания потока приходится вводить сопротивление, рассредоточенное по всему сечению камеры в виде одной или двух решеток, либо устанавливать направляющие. Лучшее распределе- ние воздуха достигается при верхнем, нижнем или боковом под- воде его вместо осевого центрального. В волокнистых фильтрах I и II классов проблема равномерного распределения воздуха не возникает, так как сами фильтры хорошо выравнивают скорость воздуха. Фильтры I класса следует располагать на нагнетательной стороне вентилятора и по возможности непосредственно перед вводом очищенного воздуха в помещение, для того чтобы предупре- дить загрязнение очищенного воздуха в каналах. Фильтры II класса, если они не являются единственной ступенью очистки, также следует приближать к местам раздачи воздуха. Для предупреждения коррозии и образования пыли в резуль- тате вибрации, воздуховоды к фильтрам I класса изготавливают из коррозионностойких материалов (нержавеющая сталь, вини- пласт и др.). Очень часто эти фильтры преждевременно забиваются солевыми аэрозолями, образующимися при испарении брызг воды в увлажнительных камерах кондиционеров. Воздух, удаляемый из рабочих помещений, часто подвергают рециркуляции, что способствует продлению сроков службы воздушных фильтров и позволяет снизить стоимость отопления, так как не требуется повторный нагрев его. Для очистки рецир- куляционного воздуха используются обычно фильтры II и I клас- сов, а при высоком содержании пыли (до 3—4 мг!м2) фильтры III класса. В соответствии с санитарными ноомами очистка счи- тается достаточной, если остаточная концентрация пыли в воз- 15А
духе, возвращаемом в помещение, не превышает ЗС% от предельно допустимой концентрации (ПДК) для этой пыли. Однако общее содержание пыли в воздухе рабочих помещений не должно превы- шать предельно допустимых концентраций. Примерное количество рециркуляционного воздуха на одного человека составляет 0,004— 0,006 Л43]сек (15—20 л«3/ч) и часто оно достигает 50% от всего обще- обменного воздуха 4. Рециркуляционный воз- дух, забираемый из помеще- ний через местные отсосы от источников пылеобразо- вания, должен очищаться в тканевых промышленных фильтрах или в других пы- леуловителях, используемых в качестве первой ступени очистки. При оценке экономично- сти воздухоочистных уста- новок необходимо учиты- вать следующие показатели: 1) капитальные затраты, состоящие из стоимости кар- каса для монтажа фильтров, самих фильтров, вспомога- тельного оборудования (элек- тропроводка, подача горя- чей воды, пара, сжатого воз- Рис. III.25. Сравнительные данные стои- мости очистки атмосферного воздуха в за- висимости от эффективности различных фильтров: / — масляные сетчатые; 2 — рулонные волок- нистые; 3 — панельные сухие; 4, 5 — Двух- зонные электрофильтры; 6, 7 — высокоэф- фективные тонковолокнистые. духа) и оборудования для проведения регенерации фильтров, 2) эксплуатационные расходы, которые обычно рассматри- ваются как ежегодные, однако должен учитываться общий срок службы установок (средний срок службы установок 29 лет); эти расходы включают стоимость замены фильтров или фильтрующей среды, стоимость работ по смене и обслуживанию фильтров, включая стоимость используемых материалов для очистки масла и работ по его регенерации. На рис. III.25 приведена зависимость между относительной стоимостью и эффективностью очистки 1700 м3 воздуха от ти- пичной атмосферной пыли 26- 27 (расчетные значения стоимости и эффективности весьма ориентировочны, так как они изменяются в зависимости от конкретных условий). Расчеты проводились для установок производительностью 27,7 мЧсек (1С0 900 м3/ч). Из рис. III.25 следует, что очистка воздуха в фильтрах III класса почти в сорок раз дешевле, чем в Фильтрах I класса. Следует также отметить, что двухзоьные электрические фильтры выгодно отличаются от волокнистых как по стоимости, так и по эффективности очистки. 155
ЛИТЕРАТУРА 1. W h i t b у К. T., in «Encyclopedia of Chemical Technology», ed. Othmer Kirk> 2nd ed., v. 7, p. 429—462. 2. П и p у м о в А. И., Труды НИИСТ, 1967, стр. 140. 3. Единая методика сравнительных испытаний пылеуловителей для очистки вентиляционного воздуха, изд. ЛИОТ, 1968. 4. Пирумов А. И., Очистка воздуха от пыли. Сборник Трудов НИИСТ, № 19, 1966, стр. 120. 5. D о г m a n R. G., Filtration and Separation, 5, 24 (1968). 6. О с h s Н. I., Chem. Ind., t9, 425 (1967). 7. W al ter E„ Staub, 25, 441 (1965). 8. С и м о н о в и ч Б. С., Пористые воздушные фильтры, Госстройиздат, 1958. 9. В а н Ч., Очистка воздуха от пыли. Сборник трудов НИИСТ, № 19, 1966, стр. 80. 10. Вершинина К. И., Очистка воздуха от пыли. Сборник трудов НИИСТ, № 19, 1966, стр. 89. 11. Margetts I. М., Heating a. Ventilat. Eng., 34, 536 (1961). 12. Захановский В. И., Бажанова В. В., Требу ков С. П., Очистка воздуха от пыли. Сборник трудов НИИСТ № 19, 1966, стр. 70. 13. Albrecht G., in «Aerosols», Proc. 1 st Nat. Conf. Aerosols, Oct. 8—13, 1962, Prague, 1965. 14. Schutz H., Heiz.-Luft.-Haustechn., 16, 173 (1965). 15. П и p у м о в А. И., M и л о в и д о в, Б о p и с о в Н. И., Водоснабжение и санитарная техника, № 2, 1 (1967). 16. В е р ш и н и н а К. И., Никитин В. И., Г и р и л о в и ч В. Т., Очи- стка воздуха от пыли. Сборник трудов НИИСТ, № 19, 1966, стр. 27. 17. Filtration and Separation, 3, 512, (1966). 18. R i v е г s R. D„ ASHRAE J., 4, № 2, 37 (1962). 19. W h i t b у К. T., Jordan R. С., A 1 g г e n A. B., ASHRAE J., 4, № 6, 79 (1962). 20. D a r 1 о w H. M., Filtration and Separation, 3, 303 (1966). 21. C a d 1 e R. D., Particle size. Theory and Industrial Applications, New York, 1965. 22. С т e п и н Б. Д., Кофыров M. И., Хим. пром., № 1, 35 (1968). 23. L i t 11 e J. C., Heating, Piping, a. Air Condit., 38, № 4, 111 (1966). 24. A 1 1 a n A. R., Air Engineering, № 2, 34 (1965). 25. R о w 1 e у F. В., J о r d a n R. C., Heating, Piping a. Air Condit., 12, 699 (1940). 26. M u 1 cast er K. D., S t о kes E. A., J. Inst. Heating a. Ventilat. Engrs, № 10, 197 (1966); № 2, 350 (1967). 27. L i t t 1 e A., S u t t о n B. W., Filtration and Separation, 4, 109 (1967).
ГЛАВА IV ТКАНЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ Очистка технологических газов и аспирационного воз- духа в тканевых фильтрах с периодическим или непре- рывным удалением с тканей осажденного продукта яв- ляется одним из самых давних и вместе с тем надежных и эффективных методов улавливания сухих промышлен- ных пылей при сравнительно невысоких затратах. Тканевые фильтры могут применяться для улавлива- ния сухих пылей любой концентрации, если имеется воз- можность регенерации фильтровальных материалов об- ратной продувкой, встряхиванием, или в результате дру- гих механических воздействий от накопившегося пыле- вого слоя, а также если они обладают термической и хими- ческой стойкостью и механической прочностью. В связи с появлением новых фильтровальных мате- риалов улучшенного качества, а также созданием более совершенных конструкций аппаратов область и масштабы применения этого метода очистки промышленных газов расширяются. ОСОБЕННОСТИ УЛАВЛИВАНИЯ ПЫЛИ ТКАНЯМИ 3 тканевых фильтрах применяются фильтрующие ма- териалы двух типов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки (фетры) или другие нетканые материалы, получаемые путем свойлачивания или меха- нического перепутывания волокон иглопробивным мето- дом, а также путем связывания волокон вязально-про- шивным, клеевым и другими методами. Фильтровальные тканые материалы представляют со- бой определенного вида переплетения нитей (пряжи), скрученных из коротких (штапельных) или филаментных (непрерывных) волокон диаметром до 40 мкм. Более тол- стые («тяжелые») ткани из естественных или синтетических волокон часто подвергаются начесыванию, а шерстяные — еще и валке. В результате на поверхности переплетения образуется ворс или застил из перепутанных между собой 157
в различных направлениях отдельных волокон. Более тонкие («легкие») ткани из стеклянных и синтетических непрерывных или штапельных золокон всрсованию не подвергаются, но сте- пень крутки нитей и плотность их расположения значительно выше, чем в толстых тканях, изго авливаемых только из шта- пельных волокон. 3 типичных тканях расстояние между нитями утка и основы диаметром 300—700 мкм составляет 100—200 мкм. Волокна ворса образуют пористый слой, перекрывающий отверстия между ни- Рис IV 1. Поперечный разрез филь- трующей ткани: I — участки сечения с ворсом; If — се- « чение переплетенных ннтей ткани; 1 — частица пыли. Рис. IV.2. Структура ткани (саржа 3X1). тями (на рис. IV. 1 показан поперечный разрез ворсованной ткани, а на рис. IV.2 — структура ткани). Из рис. IV. 2 видно, что микро- структура тканей по сравнению с волокнистыми материалами крайне несднородна и усредненная плотность ткани только кос- венно характеризует ее строение. Осаждение частиц пыли в начальный период работы фильтра за счет механизмов касания, инерции, диффузии и электростати- ческого взаимодействия происходит на волокнах, расположенных на поверхности нитей, а также в ворсе. Волокна, находящиеся внутри крученых нитей, в осаждении частиц практически не уча- ствуют- так как поток газа внутрь таких нитей почти не проходит. В последующем наблюдается процесс соосаждения частиц, в ре- зультате чего эффективность очистки резко возрастает и может образоваться сплошной слой пыли, который сам становится «вто- ричной» фильтрующей средой. Осаждение частиц в поверхностном пылевом слое и внутри запыленной ткани основано на ситовом гффекте, проявляемом довольно сильно, так как поры в слое,
обтекаемые элементы (осажденные пылинки) и улавливаемые ча- стицы имеют близкие размеры. В табл. IV. 1 приведены данные1 об эффективности очистки газов тканевыми фильтрами в разные периоды их работы (эффек- ТАБЛИЦА IV.1 Влияние слоя осажденной пыли на эффективность ткани Ткань Эффективность очистки, % чистая ткань после запыления после очистки обратной продувкой Тонкая синтетическая . . 2 65 13 Толстая ворсованная синтетическая .... 24 75 66 Толстая ворсованная шерстяная 39 82 69 размером частицам 0,3 мкм), а на тивность определялась по рис. IV.3 показана зависимость коэффициента проскока пыли через ткань от степени сформированности первичного слоя пыли2. Из таблицы видно, что эффективность очистки тонкой тканью после ее регенерации резко уменьшается по сравнению с запылен- got ной, в то время как разница в эф- фективности очистки при примене- нии более толстых объемных тка- ней значительно меньше. Если в периоды между регенерациями на ткани образуется сплошной слой пыли, то можно ожидать весьма высокой эффективности 70 GO 50 £ 30 20 W О 20 30 ЬО 50 00 70 80 00 100 с,% Рис. IV.3. Зависимость коэффициента проскока (К) пыли от сформированности (С) первичного сплошного слоя пыли для различных тканей: Г — тонкая плотная полифенов ая ткань; 2 — стеклянная ткань (четырехремизный сатнн) ; 3 — ннтроновая ткань с начесом; 4 — шерстяная ткань ЦМ; 5 — лавсановая ткань (двой кого переплетения); 6 — стеклянная ткань со штапельным утком. улавливания пыли ' даже ' по субмикронным частицам. Из рис. IV. 3 следует, что тонкие ткани с сеточной структурой (ткани из непрерывных стеклянных нитей с высокой степенью 159
Крутки, из полифеновых нитей) характеризуются более высокой величиной проскока по сравнению с толстыми тканями. Таким образом, в тканевых фильтрах сама чистая ткань не является высокоэффективн°й фильтрующей средой в прямом смысле, а в ряде случаев выполняет роль несущей поверхности, т. е. служит основой для формирования и удержания фильтрую- щего пылевого слоя. Пористость пылевого слоя в зависимости от размеров, формы и других свойств частиц, а также от скорости фильтрации и структуры ткани изменяется в широких пределах3 (рис. IV.4). Рис. IV.4. Зависимость плотности упаковки а (в долях) пылевых слоев от пыле- емкости: а — штапельная полиэфирная ткань с ворсом; б — филаментная плотная полиамидная ткань; 1 — угольная пыль (запыление с гладкой стороны); 2 — угольная пыль (запыление со стороны ворса); 3 — угольная пыль (2гм в =1,8 мкм); 4 — тальк (2гм_ в =28 мкм)- 5 — летучая зола (2гм в =45 мкм); 6 — тальк (2гм в = 2,5 мкм); 7 — алундовая пыль (2гм. в = К4 даои). Из рис. IV.4 видно, что на объемных тканях из штапельного волокна образуются значительно более рыхлые слои пыли. Этот слой обладает высокой механической прочностью в направлении потока4. Установлено6, что фильтрация запыленными тканями происходит избирательно, причем наиболее пропикающие час- тицы имеют диаметр 0,2—0,4 мкм, как это видно из рис. IV.5. Так как при низкой концентрации процесс образования слоя занимает много времени, то лучшие результаты достигаются при очистке газов с высокой запыленностью. При этом накапливаются массивные слои пыли, которые при регенерации не распыляются в газе, а разрушаются в виде крупных агрегатов. В результате повторное осаждение пыли на ткани снижается, но обеспечивается выпадение ее в бункер. Способность большинства частиц размером <5 мкм коагулировать с образованием прочных рыхлых агре- гатов в потоке газа, в ткани и на ее поверхности дает возможность использовать даже редкие ткани в качестве эффективной филь- трующей среды. При очистке ткани удаляется значительная часть пылевого осадка, но внутри ткани между нитями и волокнами остается 160
значительное количество пыли, поэтому й сохраняется высокая эффективность очистки; при регенерации запыленных тканей нельзя допускать их «переочистки». В этих фильтрах целесообразно использовать небольшие на- грузки по газу, обычно 0,3—1,2 м?1(м2-мин.). При большой ско- рости может происходить чрезмерное уплотнение пылевого слоя, сопровождающееся резким увеличением сопротивле- ния; так как частицы про- никают в глубь слоя и тка- ни, наблюдается наруше- Рис. IV.5. Зависимость фракционной эффектив- ности каркасного тканевого фильтра от содер- жания пыли в ткани: / — незапылявшаяся (чистая) ткань (летучая зола); 2 — запыленная ткань (летучая зола); 3 — запылен- ная ткань (тонкая пыль); 4 — запыленная ткань (грубая пыль); 5 — ткань после 10 встряхиваний (грубая пыль); 6 — ткань после 10 встряхиваний (тонкая пыль); 7 — ткань после 10 встряхиваний (ле- тучая зола); 8 — ткань после 35 встряхиваний (лету- чая зола). Рис. IV.6. Зависимость вы- ходной концентрации пыли в газах (z2) от скорости их фильтрации через ткань: 1 — сразу же после регенера- ции; 2 — в течение несколь- ких циклов «регенерация — фильтрация»; 3 — е конце цикла фильтрации перед регенерацией. ние пылевого слоя, сопровождающееся вторичным уносом пыли особенно из отверстий между нитями. При увеличении скорости фильтрации выходная концентрация довольно резко возрастает сразу после регенерации2, что иллю- стрируется рис. IV.6. Кроме того, при высокой скорости фильтра- ции требуется слишком часто проводить регенерацию, увеличи- вается износ ткани и механизмов. Для обеспечения надежности работы фильтров и высокой эффективности необходимо иметь большие фильтрующие поверхности и избегать слишком глубокой регенерации. Описанные недостатки тканевых фильтров в значительной мере устраняются при использовании в них в качестве фильтрующего 11 В. II. Ужов 161
материала плотных фетров или других нетканых материалов с ана- логичной структурой. Эффективность улавливания пыли в этом случае не будет определяться главным образом наличием слоя пыли; равномерное распределение волокон по всей толщине фетра обеспечивает их равноценное участие в процессе осаждения частиц. Процесс фильтрации протекает в объеме материала. При очистке фетров внутри них всегда остается часть пыли, обеспечи- вающая очень высокую эффективность улавливания субмикрон- ных частиц. Такое принципиальное отличие свойлоченных филь- трующих материалов от тканых дает возможность в 3—10 раз уве- личить нагрузку по газу и довести ее до 10 м31(м?-мин), а также проводить регенерацию материала без прекращения подачи за- пыленного газового потока. ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ К тканям, используемым в качестве фильтровальных материа- лов, предъявляются следующие требования: 1) высокая пылеемкость при фильтрации и способность удер- живать такое количество пыли после регенерации, которое до- Основные свойства текстильных волокон Исходный полимер или сырье Название волокна Плотность, р, кг/м3 ’ Термостой- кость °C Химичес стойко в различных сре при дли- тельном воздействии при кратко- временном воздействии кислоты щелочи окисляющие । агенты 1 Целлюлоза Хлопок 1520 65—85 90—95 оп X У Протеины Шерсть 1320 95— 100 120 У оп У Полиамид Капрон ... 1140 80—90 120 оп ох У Полиэфир Ноумекс .... Лавсан . . 1380 1380 220 130 . 260 160 У X ох У—п X X Полиакрилони- Нитрон 1170 120 150 X—У У X Полиолефин Полипропилен . . 920 85—95 120 ох ох X Поливинилхлорид Политетрафтор- Хлорин, ацето- хлорин, ПВХ Тефлон, полифен 1380— 1470 2300 65—70 220 80—90 270 ох ох ох ох ох ох этилен Алюмоборосили- катное стекло Стеклянное волок- но 2540 240 315 X У—п ох Условные обозначения: ОХ — очень хорошая: X — хорошая; У — удовлетворительная; 162
статочно для обеспечения высокой эффективности очистки газов от тонкодисперсных частиц; 2) сохранение оптимально высокой воздухопроницаемости в равновесно запыленном состоянии; 3) высокая механическая прочность и стойкость к истиранию при многократных изгибах, стабильность размеров и свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей, находящихся в сухих и насыщенных влагой газах; 4) минимальное влагопоглощение и способность к легкому удалению накопленной пыли; 5) возможно низкая стоимость. Применяемые материалы удовлетворяют не всем перечислен- ным требованиям, поэтому каждый материал используется в опре- деленных, наиболее благоприятных для него условиях. Некоторые из перечисленных требований зависят от свойств применяемых волокон, другие от структуры готовых материалов. В табл. IV.2 приведены основные свойства наиболее широко ис- пользуемых волокон6^8. Ниже рассматриваются фильтровальные ткани из природных и синтетических волокон. ТАБЛИЦА IV.2 кия нь д«х Г орю- честь Предел прочности при растяжении Разрывное удлинение % Стойкость к истиранию Влагоемкость, % при 20 °C Стоимость 1 кг волокна, руб. (1968 г.) растворители Мн/м2 кгс/мм* при ф=65% при <р=90—95% ох Да 352—510 36—52 7—8 У 7—8,5 24—27 1,2 X Да да 147—176 450—560 15—18 46—57 30—40 18—32 У ох 13—15 3,5—4,5 21,9 7—8,5 10—15 2,1 X нет 390—540 40—55 14—17 ох — X да 450—540 46—55 45—60 ох 0,4 0,5 2,7 X да 255—382 26—39 20—29 У 0,9—2 4,5—5 2,7 X да 440—510 45—52 22—25 ох 0 0 — У—X нет 137—235 14—24 41—43 ОП—п 0,17—0,3 0,7—0,9 2,8 ох нет 323 33 13 У—п 0 0 — ох нет 1420— 1550 145—158 3—4 оп 0,3 — — II — плохая; ОП — очень плохая. 11* 163
Ткани из природных волокон. Хлопчатобумажные ткани. Они обладают хорошими фильтрующими свойствами и характеризуются низкой стоимостью. Хорошие фильтрующие свойства тканей обусловлены лентовидной формой, перекручен- ностью волокон вокруг оси и малой их толщиной (dE-!2—25 мкм). Иногда для повышения стойкости хлопка к кислотам и окисляю- щим агентам его ацетилируют или подвергают другой обработке. Ограниченность применения хлопка объясняется низкой термо- стойкостью, горючестью и высокой влагоемкостыо. Шерстяные ткани. Эти ткани характеризуются вы- сокой воздухопроницаемостью, обеспечивают надежную очистку и легкость регенерации, но стойкость к кислым газам, особенно к окислам серы и туману серной кислоты, — низкая. Срок службы шерстяных тканей на предприятиях цветной металлургии 9— 12 месяцев; стоимость их значительно выше, чем хлопчатобумаж- ных и синтетических. На предприятиях текстильной промышленности выпускаются бесшовные рукава из сукна № 2 и из смеси шерсти с капроном (рукава ЦМ). Капроновые волокна добавляют в шерстяные только для облегчения текстильной переработки при изготовлении рука- вов на станках, так как это значительно повышает прочность пряжи с низкой степенью крутки. При температуре до 100° С срок службы шерстяных рукавов удовлетворительный; при дли- тельном воздействии более высокой температуры волокна стано- вятся хрупкими. Шерсть является единственным волокном, из которого полу- чают путем свойлачивания фетры, обладающие очень высокой сте- пенью очистки и применяемые в руйавных фильтрах с обратной струйной продувкой. Ткани из синтетических волокон. Эти материалы в последние годы заменяют материалы из хлопка и шерсти благодаря их вы- сокой прочности, стойкости к повышенным температурам и агрес- сивным воздействиям, тем более что стоимость их в большинстве случаев ниже стоимости шерстяных тканей. Нитроновые ткани. Эти ткани обладают хорошими фильтрующими свойствами, высокой механической прочностью, могут применяться длительное время при температуре 120—-130° С и выдерживают кратковременное воздействие температуры до 180° С. Вследствие химической и термической стойкости и низкого влагопоглощения они широко применяются в цветной металлур- гии и химической промышленности для очистки горячих газов от возгонных пылей цветных металлов, цементных пылей, сажи и других аэрозолей. Срок службы рукавов из этого материала 9—12 месяцев и больше (в зависимости от условий фильтрации). При использовании нитроновых рукавов не требуется изменение конструкции фильтра; выпускаются цельнотканые нитроновые рукава. 164
Лавсановые ткани. Они используются для очистки горячих сухих газов, в частности в цементной и металлургической промышленности при рафинировке руд. Прочность их в 3—5 раз выше, чем шерстяных. Во влажных горячих газах, особенно в щелочной среде, проч- ность тканей при высокой температуре резко снижается. В кислых средах и окислителях стойкость тканей очень высокая, но кон- центрированная серная кислота разрушает волокна. При использовании лавсановых тканей в условиях высокой температуры необходимо предварительно обработать их при 220° С в течение 30 сек или 1 мин соответственно в водяном паре или в сухом горячем воздухеs. В результате такой обработки происхо- дит усадка по основе на 15% (по утку усадки не происходит, так как ткань обычно фиксирована). Аналогичной термообработке подвергаются нитроновые и капроновые ткани. Износ лавсановых и нитроновых тканей усиливается при резких колебаниях тем- ператур. Ткани из полиэфирных волокон устойчивы к истиранию, по- этому их используют для улавливания абразивных пылей, напри- мер в производстве керамических огнеупорных материалов10. Кроме перечисленных материалов применяют также ткани из капроновых, полипропиленовых и поливинилхлоридных волокон. Все они обладают высокой химической стойкостью в специфиче- ских средах и низкой влагоемкостью, но не выдерживают более высокой температуры, чем ткани на основе лавсана и нитрона. В условиях высокой влажности при низкой температуре (в руд- никах) хорошие результаты показали рукавные фильтры из хло- риновой ткани п. Фильтровальные ткани на основе полипропилена по стоимости приближаются к хлопчатобумажным. Полипропиленовые во- локна отличаются низкой плотностью, высокой прочностью и устойчивостью к истиранию. Высокая химическая стойкость и гидрофобность полипропиленовых тканей (так же как и поли- винилхлоридных и тефлоновых) дает возможность использовать их в агрессивных средах при улавливании пылей с повышенными адгезионными свойствами. Полипропиленовые ткани благодаря плохой адгезии пыли к поверхности волокон были, например, успешно использованы для улавливания ее в производстве пласт- масс 12. Исключительно хорошими химическими и термическими свой- ствами обладают политетрафторэтиленовые (полифеновые) ткани, но их недостатками являются малая прочность (текучесть) и высокая стоимость. Тефлоновые ткани применяют для очистки газообразного хлора от пыли13. Новым перспективным фильтрующим материалом является ткань из волокон на основе ароматических полиамидов «Noтех», разработанная в США14, Она отличается высокой механической 165
прочностью, устойчивостью к истиранию и эластичностью при температурах до 220° С. Такая ткань осваивается за рубежом для очистки горячих газов в цементной и сажевой промышленно- сти и на предприятиях черной и цветной маталлургии. В табл. IV.3 приведены основные свойства фильтровальных тканей из природных и синтетических волокон, широко исполь- зуемых в настоящее время в промышленности. При очистке сухих газов от пылей с высоким электрическим сопротивлением16 фильтровальные ткани из синтетических и стеклянных волокон заряжаются, например, до 60 кв, а это соз- дает опасность возникновения пожара в фильтре в результате электрического пробоя воздушного промежутка между рукавом и корпусом фильтра. Для защиты от электризации в ткани иногда вплетают тонкие металлические проволочки или пропитывают их антистатическими электропроводящими составами. Для предотвращения образования трудноудаляемых отложе- ний на тканях, в особенности при обработке гигроскопических пылей (на содовых и цементных заводах, при обжиге извести и других операциях), тканям придают водоотталкивающие свой- ства. Для этого их обрабатывают метил- или фенил-силиконами. Гидрофобные покрытия16 сохраняют свои свойства длительное время при температуре 200° С. Стеклоткани. Эти материалы стойки при 150— 250° С, при которых природные и синтетические волокна раз- рушаются; стеклянную ткань получают из алюмоборосиликатного бесщелочного стекла17. Непрерывные волокна диаметром 5—8 мкм получают из расплава с помощью фильер, штапельное волокно длиной 20—40 см получают распылением расплава прерывистыми струями горячего воздуха. Полученные стеклянные волокна за- масливают парафиновой эмульсией и скручивают в нити (10— 15 кручений на 10 см), из которых на ткацких станках получают фильтровальные ткани. Для улучшения сопротивляемости к многократным изгибам стеклянные ткани подвергают термохимической обработке, т. е. получают аппретированные стеклянные ткани18. Защитное по- крытие наносится на суровую ткань после удаления с нее замасли- вателя (при 300° С) пропиткой в водной эмульсии кремний- органических соединений с последующей полимеризацией пленки при высокой температуре. Пропитанная стеклянная ткань ста- новится эластичной, приобретает гладкую и гидрофобную поверх- ность, с которой легко удаляется слой уловленной пыли. Срок службы такой ткани зависит от кремнийорганических полимеров, которые обычно начинают разрушаться16 при 175— 225° С; при дальнейшем повышении температуры долговечность ткани резко снижается, но и при 250° С срок службы тканей, по сравнению с необработанными, выше в несколько раз и дости- гает 6—24 месяцев. Несмотря на более высокую изгибоустойчи- 166
< S «ч (Д < bd г) ^3 И х Ы 03 л" 03 'О S >асн С о X S Н X X X & S 1—и, * »s X ф S £0 О - 5^ Л Л § fr X и о хг о S 'О к ф ь^41 аз С-> х 2 иЪ 03 со S § g S О к X 2 о X X О Он S С а и а> « и ш ю X ф СХ, иОС s _ й X S о s с А «О КЭ - СС Сч Е— гг е Основные свойства фильтровальных тканей, применяемых в промышленности Т олщина нити текс уток о \ CD LQ ю to lq” 1 1 СО CD 1 o' основа 35/2 (х/б) 5 5 20/4 5,0 16/2 16/2 15,4 (Hnw-Zw)/Sw {•гиэ 'QoQ ww s) гж/н 6fr=<*V hcIu чхэоиэе’п -HHOduoxAifeoQ | I •Я 2 <ЭО>_ о_о О ( 1 * О- ’’Ф СО of Разрывная нагрузка и удлинение полоски 50X100 мм уток СЧ со со со О) Ю 04 СО СП I СО СО СО — 1-0 СО'^Г’ LOCO кгс * 04 СО О Ю о со Г'- О О СО Г- 'чГ СО 1.0 СО г- 04 СО СО 04 Т—< т—< < 1—t основа со О- СП ю со о ю сию 1 04 СО *—1 СО СО кгс 54 60 96 120 110 198 187 150 57 90 * Число нитей в 10 см уток LO О со со О 04 0 — 'ф о СО О СП СП О СП СО Ю СО н—1 ’ —1 ~ 04 04 04 св ВД О о 230 117 104 90 108 112 210 137 115 210 WW ИНВЯХ BHHYniTOJ LO CD N х? 04 СО 04 *—< 04 н—1 •—< CN~ 04" —Г <zT аи ‘ИНЕЯ! 510НЧ1ГВЯ0 с1лч1ГИф | еэзвэд 0,410 0,48 0,43 0,40 0,50 0,45 0,37 0,51 0,50 0,290 Для полоски 25X100 мм.. 167
вость регенерацию аппретированных стеклотканевых рукавов про- изводят, в основном, обратной продувкой, а в некоторых случаях периодическим (несколько раз в сутки) кратковременным пока- чиванием рукавов. При длительном воздействии температуры и высокой абсолют- ной влажности снижается стойкость покрытия и волокна приоб- ретают склонность к самоистиранию19- 20. Особенно сильный износ наблюдается, если рукава плохо натянуты (провесы), а также если не обеспечивается синхронное и плавное перекрытие дроссельных клапанов подачи чистого и загря- зненного газов. Рукава обычно навешиваются на регулируемые пружины; механические воздей- ствия на стеклянную ткань и рез- кие толчки, вызывающие изги- бающие деформации с образова- нием складок, должны быть пол- ностью исключены. Для защиты от статического электричества и повышения ус- тойчивости к изгибающим дефор- мациям во время аппретирования 800— 700- 500 t wo * 300 200 100 3,5 -3,0 2,5 1 t \ \ \ 2 V о\ 7 2 2.0 I 1,5 J а 1,0 S 5" °100 150 200 250 300 350 W0° Температура, °C Рис. IV.7. Зависимость срока службы стеклотканевых рукавов от температуры: 1 — ткань, аппретированная силико- ном; 2 — ткань, аппретированная кол- лоидным графитом. на волокна наносят графит (в кол- лоидном состоянии); при этом срок службы тканей при высокой температуре 21 значительно удли- няется (рис. IV. 7). Покрытие во- локон тефлоновой пленкой (из раствора) также повышает долго- вечность тканей. Для увеличения воздухопроницаемости тканей при сохранении прочности уточные нити изготавливают из штапельного волокна или структурированной пряжи. Промышленностью выпускается несколько видов аппретиро- ванных стеклянных тканей, различающихся по воздухопроницае- мости, массе и прочности; они применяются на сажевых, цемент- ных, металлургических и других предприятиях. Разработаны22-24 оптимальные структуры стеклянных тканей: ТССНФ-О (ТУ 147—65), ТСФР(б)У-О и др.; они аппретированы ГКЖ-94 (для работы при 200° С) и М-2 (для работы при темпера- туре > 200° С), графитизированы и изготовлены со штапельным утком; эти ткани успешно начинают применяться для улавлива- ния высокодисперсных саж (ТМ-70), цементной пыли, возгонов цветных и редких металлов, в производстве фосфорных удобре- ний. Для улавливания сажи оптимальная нагрузка по газу не должна превышать 0,35 л«®/(л^2-лги«) для тканей из непрерывного 168
стеклянного волокна24 и 0,45 msI(m2 • мин} для тканей со штапель- ной уточной пряжей. Наиболее целесообразной структурой ткани оказался четырех- ремизный сатин; при таком переплетении обеспечивается легкая регенерируемость и достаточная воздухопроницаемость ткани, осо- бенно при использовании в утке стеклянного штапельного волокна. Работы по созданию новых типов термостойких тканей на ос- нове алюмосиликатных, керамических, металлизированных и графитизированных волокон 2Б~28, а также волокон из нитрида бора и карбида кремния ведутся достаточно успешно. Например, волокна из графита, полученные карбонизацией природных воло- кон, обладают очень высокой хи- мической стойкостью и выдержи- вают температуру свыше 1100° С в инертной и восстановительной атмосфере, но механическая проч- ность этих и других термостой- ких волокон еще недостаточна для использования в рукавных фильт- рах. Нетканые материалы. К этим материалам относятся фильтро- вальные шерстяные фетры, полу- чаемые свойлачиванием натураль- ной овечьей шерсти, иногда в смеси с синтетическими волокнами 29’30, а б Рис. IV.8. Схема получения фетра из синтетических волокон игло- пробивным способом: а — фетр е начальный период пробива- ния; б — фетр после завершающей стадии пробивания. иглопробивные войлока на основе синтетических обычных и термоусадочных волокон, комбинированные многослойные вой- лочно-тканевые иглопробивные и вязально-прошивные материалы. Фетры или войлоки представляют собой плотные слои беспо- рядочно перепутанных коротких волокон, равномерно распреде- ленных в объеме и обладающих поэтому высокой устойчивостью к многократным изгибам. Толщина фетров обычно составляет 1,6—3,2 мм, а масса 1 м2 материала изменяется от 0,4 до 1,0 кг. Уплотнение и перепутывание слоя синтетических волокон для получения фетра производится на иглопробивных машинах, принцип действия которых виден из рис. IV.8. Для достижения требуемой прочности и стабильности размеров волокна после на- бивки на сеточный тканый каркас из тех же волокон подвергаются термической и химической обработке. Фетры получают из лавса- новых, поливинилхлоридных волокон31, а также из волокон орлон, тефлон и ноумекс, часто с добавлением термоусадочных волокон. Фильтровальные фетры используются в основном в фильтрах с обратной струйной продувкой или при импульсном методе реге- нерации; выходная концентрация пыли очень низкая, даже при небольшой начальной запыленности газов 100 мг!м3}. 169
Структура фильтровальных тканей Для изготовления фильтровальных тканей используются моно- волокно, филаментная нить и штапельное волокно. Сетки из синтетического моноволокна в тканевых фильтрах применяются редко. Филаментные нити из стеклянных и синтетических волокон широко используются для изготовления фильтровальных тканей. Эти ткани более устойчивы к истиранию и более прочные, чем ткани из штапельных волокон; с них очень легко удаляется пыль, но на них нельзя получить ворс. Пряжа из штапельного волокна с низкой степенью крутки (не более 20 на 10 мм) наиболее проницаема для воздуха и из нее изготовляются ворсованные фильтровальные ткани. Природные волокна могут быть только в виде штапеля. Штапельные ткани обладают большей эффективностью очистки, но труднее регене- рируются. Обычно при увеличении степени крутки пряжи воз- духопроницаемость ткани возрастает, но увеличивается проскок пыли. Ткань, как известно, состоит из основы (продольных ни- тей) и утка (поперечных нитей), расположенных взаимно перпен- дикулярно и переплетенных между собой. Обычно основа и уток состоят из нитей одного типа, но основа может быть из филамент- ных нитей, а уток из штапельного волокна. Толщина волокон и нитей выражается в тексах (ГОСТ 1087—64) и характеризуется величиной массы, приходящейся на единицу длины. За единицу массы принимается грамм, за единицу длины — километр. Ранее толщину волокон и нитей характеризовали номером, -который представляет собой отношение длины волокна (нити) к его массе. Тексы (7) и номера (N) связаны соотношением TN = 100 Для определения расчетного диаметра (в мм) волокна (нити) удобно пользоваться следующим уравнением: dp = 0,0354 1/ — = —(IV.1) ₽ г Р КЛГр где р — плотность волокна, г!см?. При изготовлении тканей используются три вида переплете- ний: полотняное, саржевое и сатиновое (рис. IV.9). Ткани для фильтрации газов с полотняным переплетением обеспечивают высокую эффективность, но обладают большим сопротивлением и плохо регенерируются. Ткани сатинового переплетения харак- теризуются высокой воздухопроницаемостью, легкостью регене- рации вследствие подвижности нитей, но низкой эффективностью улавливания. При повышенной плотности ткани (четырехремизный 170
сатин) обеспечивается достаточно высокая прочность, но снижается воздухопроницаемость. Саржевое переплетение не образует гладкой поверхности, нити в ней достаточно подвижны, но при этом сохраняется высокая износоустойчивость ткани. Эффективность очистки и способность к регенерации саржевых тканей вполне удовлетворительные. Сар- жевые переплетения (2 х 2; 3 X 1; 1x3) используются наиболее часто (см. рис. IV.9). Воздухопроницаемость тканей с таким переплете- нием обычно составляет 3—9 лг3/(лг2 • мин) при сопротивлении 49 н/м2 (5 мм вод. ст.). Рис. IV.9. Типы переплетений тканей: а — полотняное; б — сатиновое; в — саржевое (3x1). При низкой запыленности часто используют тяжелые ткани (600—800 г/м2), при более высоких концентрациях—более легкие ткани (400—500 г/м2). Ткани из филаментных нитей используются для улавливания плохо удаляемых пылей; масса 1 м2 таких тка- ней составляет 200—400 г. При выборе тканей более важными показателями, чем вид переплетения, являются тип волокна, строение пряжи, длина волокон, степень крутки нитей, количество волокон и нитей, приходящихся на единицу площади тканей. Для полной характеристики ткани надо также знать воздухо- проницаемость, общую пористость и размер пор dn. Количество пыли, удерживаемое тканью без ухудшения фильтрующих свойств, зависит от пористости ткани и диаметра пор, причем с увеличе- нием диаметра пор резко увеличивается воздухопроницаемость32; при увеличении dn в 3 раза воздухопроницаемость увеличивается в 40 раз, но при этом возрастает унос пыли. При наличии ворса воздухопроницаемость ткани и эффектив- ность очистки возрастают, но при этом на концах волокон накап- ливаются заряды, которые притягивают пыль, в результате чего образуются шарики из пыли. Поэтому иногда не рекомендуется использование синтетических тканей с начесом. На тканях из штапельных волокон пыль удерживается лучше, чем на тканях из непрерывных волокон, и осадок пыли имеет 171
меньшее сопротивление (при перепаде давлений свыше 2 кн/м^ это различие исчезает). Кроме того, ткани из штапельных волокон обеспечивают большую длительность цикла фильтрации и более высокую стойкость к истиранию. Воздухопроницаемость непосредственно связана с величиной проскока (выходной концентрацией), но эту связь следует рас- сматривать только для тканей одного типа. Например, ткани из филаментных нитей с высокой воздухопроницаемостью характери- зуются большим проскоком, чем такие же ткани с меньшей воз- духопроницаемостью. Аналогичная зависимость характерна для тканей из штапельного волокна и фетров. Однако в тканях из штапельных волокон проскок будет меньшим, чем в тканях такой же массы из непрерывных волокон с меньшей на 50% воздухо- проницаемостью. Следует отметить, что фильтрующие и прочностные свойства тканей в значительной мере зависят от их дополнительной обра- ботки (валки, ворсования, термофиксации, гидрофобизации, за- щиты от воздействия бактерий и плесени, придания антистатиче- ских свойств, огнестойкости и устойчивости к изгибам и истиранию и других видов отделки). При дополнительной отделке ткани для придания ей необходимых свойств вводится 0,5—6 вес. % отделоч- ного препарата. ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ Гидравлические свойства чистых фильтровальных тканей ха- рактеризуются воздухопроницаемостью — расходом воздуха при определенном перепаде давления, обычно равном 49 н/м2 (5 мм вод. ст.). Воздухопроницаемость измеряется в мй/(м2-мин)-, чис- ленно она равна скорости фильтрации при Ар = 49 н/м2 (5 мм вод. ст.). Сопротивление незапыленных тканей Арт при обычных нагрузках по газу 0,3—2 м3/(м2-мин) составляет 5—40 н/м2 (0,5— 4 мм вод. ст.). По мере запыления гидравлическое сопротивление ткани воз- растает, расход газа через фильтр при достижении сопротивления, равного по величине статическому напору вентилятора, снижается, затем сопротивление остается постоянным, а расход газа продол- жает уменьшаться. Для поддержания производительности фильтра при заданной величине перепада давления на фильтре ткань реге- нерируют путем продувки в обратном направлении и механиче- ского встряхивания или другими методами. После удаления слоя пыли с ткани сопротивление ее не снижается до исходной величины, а остается большим вследствие дополнительного сопротивления потоку, создаваемому неудаленной пылью. После определенного периода (от нескольких десятков до не- скольких сот часов в зависимости от условий фильтрации) работы 172
фильтра с чередованием циклов фильтрации й регенерации оста- точное количество пыли в ткани стабилизируется; оно соответ- ствует так называемому равновесному пылесодержанию ткани qp (кг/м2). Эта величина зависит от типа фильтрующего материала, размеров и свойств пылевых регенерации и других фак- торов. Иногда сопротивление ткани непрерывно увели- чивается, т. е. происходит забивание или «замазыва- ние» ткани. Это явление непосредственно не связа- но с воздухопроницаемо- стью чистой ткани, а воз- никает прежде всего в ре- зультате застревания ча- стиц внутри волокнистой пряжи вследствие высо- кого перепада давления, в результате химических и физических процессов, происходящих в пыли, находящейся в порах, и на волокнах пряжи, осо- бенно при наличии влаги. В общем случае гидра- влическое сопротивление тканевых фильтров по- стоянно изменяется во времени в некоторых пре- делах: от сопротивления чистой ткани Дрт до со- частиц, влажности газов, метода Рис. IV. 10. Зависимость гидравлического сопротивления тканей (Дрт. п) от удельного объема поступающей на ткань пыли (</) различной дисперсности (2гм. Е = 0,3 и 0,17 мкм): противления перед реге- нерацией, а затем от оста- точного сопротивления равновесно запыленной а — начальный период запыления чистой ткани; б — запыление тканей в период между ее реге- нерациями; / — стеклянная ткань (четырехре- мизный сатин); 2 — нитроновая ткань; 3 — ткань ЧШ, арт. 21. ткани Арр до заданного сопротивления перед регенерацией Арт. п. Скорость возрастания сопротивления системы ткань — оса- док пыли до заданного значения Арт. п может изменяться в широ- ких пределах в зависимости от строения ткани, скорости фильтра- ции, дисперсного состава и других свойств пыли. В плотных сет- чатых тканях происходит закупорка отверстий между нитями, поэтому Арт. п резко возрастает. В ворсованных тканях, фетрах и других более объемных материалах происходит заполнение внутреннего объема пылью и Арт. п растет значительно медленнее. На рис. IV. 10 показано изменение Арт. п для тканей трех наиболее 173
распространенных типов при улавливании возгонных частиц раз- мером менее 6 мкм2’33. На рис. IV. 10 можно выделить три периода запыления (см. рис. IV. 10, а), соответствующие расстояниям на кривых между точками: первый период связан с образованием первичного слоя пыли в порах ткани, второй — с завершением формирования первичного слоя и третий — с плавным ростом сопротивления Арт. п, зависящим от равномерности увеличения толщины слоя пыли и почти не связанным непосредственно с рельефом поверх- ности ткани. Наклон этого участка кривых для разных тканей Рис. IV.11. Распределение остаточного количества пыли по высоте рукава (в %) в зависимости от режима встряхивания: 1 — после семи встряхиваний через каждые 5 сек; 2 — после одиннадцати встряхиваний через каждые 2 мин; 3 — после встряхиваний в течение 5 мин; 4 — после встряхивания в течение 10 мин. примерно одинаков и определяется в основном свойствами пыли и условиями фильтрации. При исследовании34 - 35 накопления пыли в различных местах цилиндрического рукава было показано, что толщина и прони- цаемость слоя пыли изменяются в широких пределах по мере про- текания процесса фильтрации (рис. IV. 11), поэтому понятие о сред- них величинах скорости фильтрации, толщине слоя пыли и про- ницаемости для расчета Ар и эффективности не совсем строгое. Кроме того, наблюдается перераспределение осадка по поверх- ности, а иногда — локальный «прорыв» пыли. В процессе фильтра- ции вследствие пульсаций потока газа и вибрации фильтра воз- никают неорганизованные деформации ткани, приводящие к агло- мерации осажденной пыли, поэтому пористость системы ткань — осадок пыли непрерывно изменяется 4-34. Кроме того, в каждой секции установки постоянно изменяется в довольно широких пределах расход газов36 (рис. IV. 12). 174
! П Ш W F И. к-------------------Т------------------э-1 Рис. IV. 12. Расход газов в каждой секции трехсекционного рукавного фильтра в тече- ние полного цикла фильтрации: К сожалению, опубликованные в литературе теоретические работы, в которых описаны методы расчета гидравлического со- противления тканей по мере их запыления, не учитывают описан- ных явлений. При расчетах делаются допущения однородности накапливаемого при постоянной скорости осадка и неизменной пористости пылевого слоя в процессе фильтрации. При этих до- пущениях во время запыления сопротивление изменяется линейно (при zx — const). Условно разделив всю накапливаемую на ткани пыль на две части — нахо- дящуюся в ткани в равно- весном состоянии и нака- пливающуюся в период восстановления слоя после регенерации, общее сопро- тивление системы ткань — уловленная пыль прини- мается36-40 равным сумме остаточного сопротивле- ния равновесно запылен- ной ткани Арр и сопроти- вления слоя пыли, нако- пленной после регенера- ции Арп.с: Ар?, п — Арр + ^Рп. с (IV.2) /, III, V — периоды фильтрации; /У, IV, VI — периоды регенерации; Т — полный цикл филь- трации в установке; К-1, К-2 и К~3—расход газов соответственно в первой, второй и третьей сек- циях фильтра; К-4 — общий расход газов через фильтр. Для оценки остаточ- ного сопротивления равно- весно запыленной ткани Арр было предложено несколько уравнений, в которые входят эмпирические коэффициенты, поэтому их практическое исполь- зование ограничено только теми конкретными условиями, для которых они получены. Обычно Лрр определяют на основе опытно-промышленных или лабораторных испытаний. Например, остаточное сопротивление, отнесенное к скорости фильтрации kpju, составляет36- 41>42 соответственно 230 и 570 (н/м2)/(м/мин) для хлопчатобумажных и шерстяных тканей при улавливании литейной, пескоструйной, каменной пыли и летучей золы; 850 и 1100 (н1м2)1{м1мин) — соответственно для стеклянной ткани и летучей золы и плотной полиэфирной ткани и цементной пыли. Сопротивление стационарного слоя пыли на ткани при лами- нарном режиме течения определяется уравнением Козени—Кар- мана 3: ^Pn. с 45р (1 —- еп, с) ч<7п. с Рч4.Л (IV.3) 175
где q„_ с — масса пыли, накопленной на 1 л;2 поверхности ткани между циклами регенерации, кг!м2\ рц — плотность частиц, кг/м3', еп. с — кажущаяся пористость слоя пыли на ткани в долях; Гп — средний квадратичный (средний по поверхности) ра- диус частиц, определяемый из данных по измерению воздухопроницаемости, м. Значения пористости в зависимости от размера частиц пыли и вида ткани приведены на рис. IV. 13. Эти кривые — результат обработки экспериментальных исследований многих авторов3. Рассмотрим пример пользования уравнением (IV.3). Определим сопротивления двух слоев пыли массой 0,13 kzIm2, с размерами частиц гп = 0,2-10-6 и 2,0-10~6ж и плотностью рч = 2000 кг1м5 при фильтрации со скоростью 0,02 м!сек через ткань с ворсом. Вязкость воздуха р = 1,8 • 10-Б н-сек1м\ Из рис. IV. 13 находим, что пористость первого слоя пыли еп. с = = 0,96, а второго — еп. с = 0,87. Подставляя все известные зна- чения в уравнение (IV. 3), получаем д 45-1,8-10-е (1—0,96)-2-10-2-0,13 1ОПП . Дрп.с = ----2.10з.0,963 (0,2-10-Т--= 1200 н/м* (122 мм вод. ст.) . 45-1,8 10~6(1 — 0,87) 2-10~2-0,13 „ , . . ДРп.с=-------2-103-0,873 (2-10-^-- = 52 Н‘М ММ вОд Увеличение перепада давления вследствие накопления поступаю- щей после регенерации пыли Арп. с происходит вначале достаточно резко за счет заполнения трещин в разрушенном слое при перемен- ных локальных скоростях газа в местах с низким сопротивлением. В последующем наращивание сплошного слоя пыли обычно со- провождается линейным ростом перепада давления36-43. На рис. IV. 14 представлена экспериментальная зависимость удельного сопротивления Арт. „/и фильтрующей ткани от количе- ства накопленной пыли в установившемся режиме, т. е. при до- статочно большом числе регенераций с постоянной скоростью фильтрации. Это основная зависимость, описывающая работу тканевых фильтров в реальных условиях эксплуатации. Допуская, что удельное сопротивление системы ткань — осадок пыли в тече- ние всего периода фильтрации линейно возрастает по мере накоп- ления пыли на ткани, можно записать ДРт. п/“ = ДРр/« + kn. с?п. с (I V-4) На практике приведенное удельное сопротивление ткани перед регенерацией (см. рис. IV. 14) незначительно больше по величине остаточного удельного сопротивления равновесно за- пыленной ткани \pvlu. Величина kn. с численно равна тангенсу угла наклона кривой зависимости Арт. п/и от количества накоплен- 176
ной пыли qn. с на равновесно запыленной ткани; kn. с характери- зует структуру слоя пыли в реальных условиях работы фильтра и называется коэффициентом удельного сопротивления слоя пыли. Слой пыли массой 1 кг, накопленный на 1 ма фильтрующей по- верхности и создающий сопротивление 1 н!м? при скорости газо- вого потока и = 1 м1мин, характеризуется коэффициентом удель- ного сопротивления, равным 1 н мин! (кг м). О,! 0,2 /7,4 1,0 2 5 10 20 50 2гп, мкм Рис. IV. 13. Зависимость пористости слоя пыли, накопленной на различных тканях, от среднего квадратичного размера частиц: 1 — плотные гладкие ткани; 2—штапель- ные ткаии с ворсом. Рис. IV.14. Основная рабочая харак- теристика фильтрующей ткани: А — период формирования слоя; В — период наращивания слоя; Т — полный цикл фильтрации. На основе экспериментальных данных, пользуясь уравнением (IV.4), можно определить величину kn. с: __ ^Рт. п АРп- с м<7п. с w<7n. с (IV.5) где 7п. с — количество пыли, накопленное при увеличении со- противления от Арр Д° 11- Коэффициент удельного сопротивления слоя пыли резко за- висит от величины пористости — небольшое ее изменение (на 2— 3%) сопровождается изменением Дрп. с на 20—30%. Пористость слоя пыли зависит от строения ткани, метода регенерации, от электрического заряда частиц и волокон, от влажности и скорости газа и от других трудно учитываемых факторов, влияющих на агрегацию частиц в слое. Уравнением (IV.3) эти факторы не учиты- ваются, поэтому определение k„. с с помощью небольшого опытного фильтра в условиях производства позволяет более надежно выб- рать оптимальные условия эксплуатации промышленных тканевых фильтров36 ' 42. При расчете многосекционных тканевых фильтров, обычно ра- ботающих с постоянной величиной заданного сопротивления перед регенерацией, наиболее сложным является определение средней 12 в. Н. Ужов 177
скорости фильтрации zzcp и, следовательно, требуемой площади фильтрующей ткани. Чтобы сохранить производительность фильтра по газу неизменной, величину zzcp определяют, исходя из опытных значений kn. с и Дрр по уравнению42: _ А+. п -1 / 2fen. сгдт 1 / ДРр У _ СР Йп. cZjT | п (Л/\ п)2 \ Ы / (IV.6) где Дрт. п •— заданное сопротивление запыленной ткани перед регенерацией, н!м?-, т — продолжительность цикла фильтрации в секции, мин. Пример расчета. Требуется определить площадь фильтрующей ткани в восьмисекционном фильтре производитель- ностью V — 300 мЧмин при концентрации пыли гх = 5 -10-3 кг/м3 и конечном сопротивлении ткани Дрт. п = 1 кн!м. Опытные зна- чения k„. с = 2640 н-мин!(кг-м) и &рр1и = 400 н-мин/л?. Продол- жительность цикла фильтрации принимаем равной 40 мин, т. е. периодичность последовательного вывода 8 секций на регенерацию равна 5 мин. Определим среднюю скорость фильтрации, подставляя все из- вестные величины в уравнение (IV.6): 1000 Г-I /" 2-2640-5-10*3’-40 40№ ’ | / 4002 1 _ Ucp ~ 2640-5-IO"3-® [V 1000 + 10002 Г 10002 ] = 1,33 м/мин Тогда необходимая площадь ткани в одной секции равна с _ V 300 с ucpn 1,33-8 28,2 м? Сопротивление запыленной ткани Дрт. п с учетом продувочного воздуха в регенерируемой секции определяется по уравнению42. АРт. п = ДРт. п исрп + иПр (IV-7) где ппр — скорость продувочного воздуха через ткань в регене- рируемой секции, м!мин\ п — число секций. Например, при ивр = 1,5 м/мин в вышеприведенном примере конечное сопротивление запыленной ткани составит: .» 1000(1,33-8 + 1 5) .... , . Ьрт и = --- 1 33 8~ =И40 н/м (116 мм вод. ст.) 176
Значения коэффициентов удельного сопротивления пылевых слоев на ткани Лп. с обычно постоянны (рис. IV. 15) и для наиболее рас- пространенных пылей лежат в области 660—2500 н-мин!(кг-м). Учитывая, что накопление пыли на ткани в течение цикла фильтрации описывается уравнением qa. с = ац/т (при постоянных значениях и и и при з2 —* 0), изменение сопротивления при уве- личении скорости фильтрации за счет более интенсивного поступ- ления пыли на ткань может быть представлено уравнением дРп.с = ku. с z^x (IV.8) Таким образом, сопротивление слоя пыли при увеличении ско- рости фильтрации возрастает прямо пропорционально квад- рату скорости. Например, при увеличении скорости вдвое за тот же период фильтрации т сопротивление слоя пыли воз- растает в четыре раза. Принятое во всех уравне- ниях постоянство kn. с в реаль- ных условиях наблюдается не всегда. В процессе работы промыш- ленных фильтров в слое улов- ленной пыли происходят струк- турные изменения как внутри, таки на поверхности ткани, по- этому проницаемость пылевого осадка не является постоянной величиной. Было установле- но 39 41, что на величину kn. с влияет скорость фильтрации и структура ткани. На рис. IV.16 показано изменение kn. с в зависимости от скорости филь- трации для летучей золы, образующейся при сжигании пылевидного угля. Увеличение скорости газового потока ведет к возрастанию k„. с- Наиболее перспективным способом снижения kn_ с, а следовательно, и сокращения энергетических затрат оказа- лось использование ткани с лучшей структурой (см. рис. IV.16); при этом значительно снижалось остаточное сопротивление (Дрр) вследствие лучшей регенерируемости, а также сопротивление пы- левого слоя Дрп.с за счет более пористого слоя пыли41. Увеличение скорости фильтрации с 0,9 до 1,2 м!мин привело к росту сопротивления фильтра с 1,15 кн!мй до 2,50 кн!м2, что эквивалентно перерасходу энергии более чем в два раза, несмотря на то, что габариты установки при этом уменьшились незначи- Рис. IV. 15. Зависимость удельного сопротивления слоя пыли на рукав- ном фильтре из хлопчатобумажной ткани от пылеемкости для различных пылей: 1 — тонкая известняковая пыль (&п>с = = 2360); 2 — грубая известняковая пыль (^п.с = 1620); 3 — тонкая печная цемент- ная пыль (&п с = 1270); 4— грубая цементная пыль ( с = 1020). 12* 179
Тёльно. Ткань с лучшей структурой состояла из штапельных во- локон и имела большую, чем стеклоткань, воздухопроницаемость в запыленном состоянии. Вместе с тем по величине воздухопроницаемости чистой ткани судить о ее оптимальной структуре нельзя43, так как в процессе длительной работы фильтра происходит «старение» ткани, т. е. изменение ее фильтрующих свойств. «Старение» ткани может спо- собствовать повышению эффективности очистки газа или играть Рис. IV. 16. Влияние скоро- сти фильтрации газов в про- мышленных условиях на коэффициент удельного соп- ротивления пылевого слоя летучей золы (при исходном запылении z1=4,14 г/м3) для различных тканей: 1 — стеклянная ткань; 2 — хлопчатобумажная ткань. Рис. IV. 17. Зависимость соста- вляющих и общего сопротивле- ний стеклотканевого фильтра от скорости фильтрации (при ис- ходном запылении 2'1=4,14г/ж3): I — изменение сопротивления всего фильтра Арф; 2 — изменение соп- ротивления равновесно запыленной ткани Арр; 3 — изменение сопро- тивления пылевого слоя Арп< с; 4 — изменение сопротивления кор- пуса аппарата Д^д. отрицательную роль, увеличивая сопротивление Д.р'т п до высо- ких значений. «Старение» ткани связано с размером пор между нитями и степенью крутки нитей, а также с дисперностью пыли. Обычно для окончательной оценки гидравлических свойств ткани требуется проводить длительные промышленные испытания. На рис. IV. 17 показана относительная роль остаточного со- противления ткани (Арр), сопротивления слоя пыли (Арп. с), а также потерь перепада давления на входе и выходе газа из кор- пуса фильтра (ДрА) в общем сопротивлении фильтра (Арф) в конце цикла фильтрации. Таким образом, в настоящее время точный расчет тканевых фильтров (эффективности очистки, оптимальной величины гид- равлического сопротивления, требуемой скорости фильтрации, продолжительности цикла фильтрации между регенерациями) в общем виде для нового процесса не может быть выполнен. По- 180
этому обычно Для Получения ориентировочных сведений исполь- зуют данные эксплуатации фильтров с подходящими тканями в условиях, аналогичных условиям в рассматриваемом процессе, уточняя оптимальные условия работы путем проведения опытно- промышленных испытаний пилотных установок. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ И ПЫЛИ Электрические заряды, приобретенные тканями и частицами пыли, а также скорость их разрядки оказывают существенное влияние на работу тканевых фильтров, особенно на способность запыленной ткани к регенерации. Сильное электрическое притяже- ние пылевого слоя к тканям затрудняет сбрасывание накоплен- ного осадка, способствует зарастанию пор ткани пылью, вызывает необходимость работы при повышенных сопротивлениях и при- менения интенсивных методов регенерации. Такое явление наблю- дается, например, при фильтрации металлургических возгонов44, аэросила (белой сажи), пыли пластмасс и других тонкодисперсных заряженных частиц с высоким удельным электрическим сопротив- лением. Наряду с этим частицы, хорошо проводящие электрический ток, например образующиеся в производстве активированного угля, при измельчении кокса, плохо задерживаются тканями, не- смотря на значительный размер. Твердые частицы заряжаются при дроблении или распылении материала, при взаимном трении или при контакте с поверхно- стями коммуникаций. Частицы в дымах и возгонах заряжаются при движении через раскаленные среды в результате ионизации в пламени, термоионной и фотоэлектрической эмиссии электронов. Знак и величина зарядов частиц зависят от способа их образова- ния и химического состава. Величины зарядов, образующихся при электризации частиц некоторых аэрозолей, приведены в табл. IV.4. Фильтровальные ткани заряжаются в результате взаимного трения волокон, а также вследствие осаждения на них заряжен- ных частиц; это относится как к шерстяным, так и синтетическим тканям, плохо проводящим ток и не поглощающим влагу. Поляр- ность и величина возникающих зарядов на тканях и пылях из- меряются пока только экспериментально. Для этого полоски ис- пытуемых тканей подвергаются трению в течение заданного вре- мени эталонной тканью, закрепленной на изолированном диске, вращающемся с определенной скоростью. Знак заряда и электри- ческое напряжение ткани определяются сразу же после прекра- щения вращения и повторно после выдержки в течение двух ми- нут45 (таким способом оценивается скорость утечки заряда). 181
ТАБЛИЦА IV.4 Величины электрических зарядов на частицах, измеренные сразу после их образования Внд аэрозоля Способ образования Размер частиц 2г мкм Средний заряд частиц k Табачный дым . . Горение 0,1—0,25 1,6—3,2 Дым окислов ма- гния » 0,3—1,5 12,8—18,2 Пыль глины . . . Развеивание 2—4 32—64 Возгоны парафина Возгонка 0,2 1,6 Дым хлористого аммония . . . » 0,2 1,6 » Распыление спир- тового раствора 0,8—1,5 18,2—24 По максимальному заряду, измеренному немедленно после зарядки, ткани могут быть расположены в трибоэлектрический ряд, в котором каждый последующий материал при взаимном трении с предыдущим заряжается отрицательно (табл. IV.5). ТАБЛИЦА IV.5 Трибоэлектрический ряд некоторых промышленных фильтровальных тканей Напряжение кв Ткань Данные Фредерика45 Данные 4® +25 + 15 + 10 Шерстяная Стеклянная ткань (аппретированная) Шерстяной фетр Полиамидная Хлопчатобумажный сатин Орлон (из филаментных нитей и игло- пробивной фетр) Ткань ЦМ Ткань ЧШ Хлопчатобумажная +5 Дакрон (из филаментных нитей) Лавсановая 0 —10 —15 —20 Орлон (из штапельных волокон) Дакрон (из штапельных волокон, иглопробивной термоусаженный фетр) Полипропиленовая (из филаментных нитей) Модифицированный орлон Дарван Кодель Полиэтиленовая (из филаментных ни- тей и штапельных волокон) Поливинилхлоридная Нитроновая Данные, полученные различными авторами, не всегда сопо- ставимы, так как заряды образуются на поверхности волокон, содержащих случайные загрязнения; кроме того, электризация 182
волокон зависит от способа их получения, вида окончательной отделки и других факторов. Пыли, так же как ткани, могут быть размещены в аналогич- ный трибоэлектрический ряд по отношению друг к другу, а также по отношению к фильтровальным тканям. При наличии таких рядов облегчается выбор ткани с наиболее подходящими электриче- скими свойствами, положительно влияющими на эффективность улавливания и способность запыленной ткани к регенерации. Чем дальше друг от друга отстоят в ряду ткань и пыль, тем боль- шие заряды возникают при их разъединении и, следовательно, меньше эффект регенерации ткани, но выше эффективность улав- ливания частиц. Образование агрегатов в пылевом слое на ткани также зависит от электрических свойств уловленных частиц и ткани. Этот про- цесс происходит в результате нейтрализации униполярно заряжен- ных частиц на ткани. Пыли, быстро теряющие заряд при кон- такте с тканью, хорошо агрегируют, при этом форма частиц и их подвижность в слое являются дополнительными факторами, спо- собствующими агрегации. В тех случаях, когда нейтрализация зарядов не происходит или скорость утечки зарядов мала, слой уплотняется, очень прочно удерживается на ткани и забивает ее. Агрегированные частицы лучше задерживаются тканью и легче сбрасываются при регенерации. Способность пыли к агрегации определяется визуально путем наблюдения за агрегацией 100 слг3 пыли при встряхивании ее в сосуде из стекла или полиэтилена емкостью 1 л. Более точно эта характеристика пыли для конкретной ткани определяется в реаль- ных условиях эксплуатации тканевых фильтров. Фредерик45 изучил электрические свойства более 40 промыш- ленных пылей, которые разделил на следующие классы: легко за- ряжающиеся, но не агрегирующие даже на электрически актив- ной ткани (класс I); легко заряжающиеся и агрегирующие (класс 11); неактивные, заряды на которых и на ткани не влияют на процесс фильтрации (класс III). Пыли первых двух классов, кроме того, подразделены на высокодисперсные (классы I-A и П-А) и грубо- дисперсные — с размером частиц более 5 мкм (классы I-Б и П-Б). При улавливании высокодисперсных заряженных неагреги- рующих частиц (класс I-A) трудно обеспечить низкую величину проскока. Ткань по структуре должна быть плотной, с максималь- ной разницей в полярности по отношению к пыли и низкой ско- ростью утечки заряда. Способность к регенерации запыленной ткани зависит только от ее структуры. К классу I-A относится мало пылей, например пыль от печей прокалки силиката кальция и окись цинка после печей спекания. Улавливание грубодисперсных неагрегирующих частиц (класс I-Б) легко осуществлялось на ткани орлон даже при не- большой разнице в полярности по отношению к пыли. При этом 183
образовывался очень пористый осадок, который легко сбрасы- вался. К пылям класса I-Б относятся: цементная пыль, некоторые виды сажи, окись цинка от конвертера, кукурузный крахмал, пыли кускового каолина и прокаленной диатомовой земли. Большая разница в полярности тонких агрегирующих пылей по отношению к ткани способствует агрегации и образованию рыхлого слоя, при этом малая скорость утечки заряда с ткани предотвращает чрезмерный проскок частиц. Для улавливания этих пылей (класс П-А) наиболее подходящими оказались ткани орлон и шерстяные. К пылям этого класса относятся наиболее распространенные пыли: возгоны окиси цинка, пыль цементного сырья, возгоны при плавке никеля, пыль магнезита, пшеничной муки, сахарная пыль, пыль хромовой руды и окиси молибдена. Грубодисперсные агрегирующие пыли (класс П-Б) обычно очень легко улавливаются в тканевых фильтрах. К ним относятся пыли окиси кремния и некоторые виды саж. Электрически неактивные пыли (класс III), например пыль, образующаяся при прокалке каолиновой глины, овсяная пыль, очень трудно фильтруются, и только структура ткани определяет эффективность их улавливания и легкость регенерации ткани. Таким образом, электрические свойства пыли и фильтроваль- ных тканей в значительной мере влияют как на эффективность улавливания частиц, так и на способность запыленной ткани к регенерации, т. е. на весь процесс фильтрации. Фредерик45 по- казал, что соотношение электрических свойств пыли и тканей влияет на работу тканевых фильтров больше, чем воздухопрони- цаемость ткани. Несмотря на успехи, достигнутые в использовании тканей из новых видов волокон и в разработке новых структур тканей, вопросы их выбора для конкретных реальных условий и установ- ления оптимальных условий эксплуатации остаются еще нерешен- ными. Для обобщения результатов исследования электрических свойств тканей и пылей требуются дальнейшие эксперименты, но совершенно ясно, что эти свойства необходимо учитывать как при выборе тканей, так и при разработке новых фильтрующих материа- лов. Например, графитизирование стеклянных тканей позволило значительно изменить их электрические свойства и тем самым улучшить их работу при улавливании пылей цветных металлов и значительно увеличить срок службы. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРАХ Первые промышленные тканевые фильтры для улавливания возгонов свинца представляли собой цилиндрические мешки дли- ной 7—9 м и диаметром 450 мм. Через патрубки в перегородке (рис. IV. 18) запыленные газы входили внутрь рукавов и подни- мались вверх. 184
Рукава размещались рядами в кирпичном корпусе и работали под избыточным давлением и при небольшой скорости (0,15— 0,25 м!мин). При снижении расхода газа вследствие возрастания сопротивления подача его прекращалась и забитые пылью рукава встряхивались вручную ударами по мешкам или по штангам, Рис. IV. 18. Рукавный фильтр (бегхауз) без обратной продувки фильтровальной ткани: 1 — пижннй этаж с бункерами; 2 — перегородка фильтра с патрубками; 3 — рукава (мешки); 4 — рама подвеса рукавов; 5 — встряхивающее устройство. к которым навешивались рукава закрытыми верхними концами. Описанные фильтры, называемые бегхаузами, с некоторой ме- ханизацией процесса встряхивания иногда еще применяются при небольшой запыленности и расходе газов, например для улавли- вания свинцовой пыли с низкой концентрацией или опилок. Дальнейшее усовершенствование бегхаузов заключалось в ме- ханизации процесса встряхивания верхней подвески рукавов и разработке двухкамерной конструкции малых габаритов (фильтры БЭТ). Встряхивание более узких рукавов производилось перио- 185
дически путем натяжения и ослабления рукавов; одновременно с встряхиванием проводилась обратная продувка ткани воздухом за счет его подсоса через патрубок. При меньшем диаметре рука- вов снижалась нагрузка на рукава в продольном направлении, что увеличивало сроки их службы. В результате этих усовершенствований была снижена продол- жительность цикла очистки газов, увеличена скорость фильтра- Рис. IV.19. Многосекционный рукавный фильтр со встряхиванием и обратной продувкой: 1 — бункер; 2 — механизм встряхивания; 3 — коллектор; 4 — газоход запыленных газов; 5—секция фильтра, находящаяся на регенерации; 6— клапан газов; 7 — рама подвеса рукавов; 8 — продувочный клапан; 9 — выходной коллектор. ции и достигалась более глубокая регенерация ткани, что способ- ствовало расширению области применения в разных отраслях промышленности рукавных фильтров для улавливания трудно удаляемых с тканей пылей. Отдельные секции с самостоятельной системой встряхивания объединялись в установки большой производительности. Затем было введено автоматическое периодическое переключение секций с фильтрации на регенерацию, с контролем включения механизмов регенерации при увеличении сопротивления на ткани до заданных пределов. На рис. IV.19 показана типичная конструкция многосекцион- ного рукавного фильтра со встряхиванием и обратной продувкой. Фильтры изготовляются из сборных блоков для возможного уве- 186
личения производительности установок при добавлении допол- нительных секций. Многосекционные рукавные фильтры с автоматическим вклю- чением механического встряхивания и обратной продувки рука- вов (типа БЭТ) наиболее широко применяются в промышленности, однако в настоящее время разработано и используется большое число новых конструкций тканевых фильтров, которые отличаются по следующим признакам: 1) форме тканевых фильтровальных элементов (рукавные, плоские, клиновые и др.) и наличию в них опорных устройств (каркасные); 2) месту расположения вентилятора относительно фильтра (всасывающие, работающие под разрежением, и нагнетательные, работающие под давлением); 3) методу регенерации ткани (встряхиваемые, с обратной про- дувкой, с вибрационным встряхиванием, с импульсной продув- кой и др.); 4) наличию и форме корпуса для размещения ткани: прямо- угольные, цилиндрические, открытые (безкамерные); 5) числу секций в установке (однокамерные и многосекцион- ные); 6) виду используемой ткани (например, стеклотканевые). Ниже приводится классификация тканевых фильтров по ха- рактеру их работы с учетом основной особенности их конструкции: 1) Тканевые фильтры периодического действия. 2) Тканевые фильтры непрерывного действия: а) многосекционные рукавные фильтры; б) рукавные фильтры с обратной струйной продувкой; в) рукавные и плоские фильтры, регенерируемые импуль- сами сжатого воздуха; г) рукавные фильтры, регенерируемые пульсирующим по- током газа. Во всех перечисленных типах фильтров фильтрующие элементы имеют цилиндрическую (реже коническую, овальную) и плоскую формы. Рассмотрим более подробно типы этих фильтров. ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ Фильтры с цилиндрическими рукавами. В этих фильтрах цилиндрические (конические) рукава располагаются вертикально, иногда горизонтально, например в потолочных фильтрах, исполь- зуемых в текстильной промышленности или на рудниках (рис. IV.20). Диаметр рукавов может быть различный, но, как правило, не превышает 600 мм. Размеры рукавов обусловливаются кон- структивными особенностями и экономическими соображениями: 187
чем больше высота рукавов, тем обычно больше их диаметр; это делается для того, чтобы снизить износ ткани на входе в рукав. Максимальное отношение длины рукава к диаметру47 достигает Рис. IV.20. Рукавный фильтр с горизонталь- ными рукавами, уста- новленный в руднике: / — рукава (длина 9,1 лг и диаметр 0,56 м); 2, 3 — подвески; 4 —камера для вентилятора. 30:1; наиболее распространено отношение (16—20): 1. Чаще всего диаметр рукавов составляет 127—300 мм, а длина — 2400— 3500 мм. Рукава большого диаметра при высоте более 5 м приме- няются для улавливания волокнистой пыли, в бегхаузах и в фильтрах с обратной струйной продувкой, так как эти ру- кава обладают большей гибкостью и Рис. IV.21. Рукава с кольцами жесткости: а — рукав со вшитыми кольцами; б — рукав со штангой для колец жесткости. легче очищаются, чем узкие. Запыленные газы могут вводить- ся в рукава снизу или сверху. При вводе снизу ограничивается длина рукавов, так как трудно обеспечить выпадение пыли в течение короткого периода встряхивания; при вводе сверху направление потока газов способствует выпадению пыли в бун- кер и возможно применение более длинных рукавов, однако в этом случае возникает опасность повы- шения температуры на входе и сни- жение ее на выходе. В рукавах малого диаметра, очи- щаемых обратной продувкой, уста- навливаются на определенных рас- стояниях кольца жесткости для предотвращения сжатия рукавов и облегчения выпадения пыли в бун- кер при регенерации (рис. IV.21). 1§8
Способы крепления и натяжения рукавов оказывают значи- тельное влияние на сроки их службы. Чаще всего рукава на- деваются на патрубки и уплотняются на них хомутами с винтовыми зажимами или другими специальными уплотняющими приспособ- лениями. На патрубках предусматриваются кольцевые буртики, предотвращающие соскальзывание рукавов. Так как в этом месте ткань наиболее изнашивается, эту часть рукавов усиливают или пропитывают латексом. Крепление рукавов в гнездах чугунной трубной решетки без пат- рубков осуществляется с помощью Рис. IV.23. Натяжение рукава при помощи винта с пружиной. Рис. IV.22. Установка рукава с пружи- нящим кольцом в распределительной решетке. тонких пружинящих колец из специальной стали, которые после дополнительной обшивки тканью вшиваются в рукава. На рис. IV.22 показан способ монтажа рукава с таким кольцом. Длинные рукава натягиваются при помощи цепи или винта с пружиной (рис. IV.23). Часто рукава в верхней части сшиваются (с образованием петли) и навешиваются на крюки. Если запылен- ные газы поступают с наружной стороны, то во избежание сплю- щивания рукава надеваются на проволочные каркасы. Конструкция корпуса рукавного фильтра зависит от свойств очищаемых газов, их давления и температуры; кроме того, учиты- вается место расположения фильтра. В нагнетательных фильтрах при отсутствии в газах или воз- духе токсичных примесей каркас не закрывается; при наличии обшивки она служит только для защиты от атмосферных воздей- ствий. Корпуса обычно изготавливаются из стали, иногда из железо- бетона. Корпуса всасывающих фильтров должны быть герметич- ными, чтобы исключить подсос холодного воздуха, который может вызвать конденсацию паров воды. Для работы под давлением и 189
при небольшом расходе газов применяют цилиндрические кор- пуса, в которых бункер обычно служит для предварительного улавливания крупных фракций. Корпуса всасывающих фильтров рассчитываются на разреже- ние 3 кн!мй (300 мм вод. ст.), в особых условиях разрежение увеличивают до 10 кн!м2 (1000 мм вод. ст.), а фильтры с цилин- дрическим корпусом — до 50 кн!м2 (5000 мм вод. ст.). В случае необходимости корпуса покрывают теплоизоляцией или даже обогревают48. Для осмотра рукавов при обслуживании фильтров в секциях устраиваются проходы не только на трубной решетке, но и на уровне подвеса рукавов. К каждому рукаву должен быть доступ со стороны проходов, а расстояния между рукавами должны поз- волять осуществлять надежное крепление и не допускать взаим- ного трения. Часто обслуживание рукавов ведется через люки. В некоторых установках число рукавов доходит до 10 000 и более. Распространены два типа секций: с небольшим числом рукавов (8—15) и укрупненные — с большим числом рукавов (в некоторых случаях более 100), а количество рукавов большого диаметра иногда доходит до 200. Число секций обоих типов не превышает 10—12. Ниже приводится техническая характеристика многосекцион- ных фильтров: Производительность, м3!сек ... до 280 (1-106 л«3/ч) Скорость фильтрации (нагрузка по газу), .к3/(.и2 • лшн) . . . 0,3—1,5 Сопротивление, н/м2-. чистых фильтров......... 100—250(10—25 мм вод. ст.) запыленных........ ... 500—1500 (50—150 мм вод. ст.) Таким образом, основным недостатком рукавных фильтров яв- ляется необходимость сооружения больших установок, занимаю- щих значительную площадь, а также сложность обслуживания и большие эксплуатационные расходы на смену рукавов. Фильтры с плоской разверткой ткани. Помимо рукавных фильтров, широко применяются фильтры с плоской разверткой ткани со значительно большей по сравнению с рукавными филь- трующей поверхностью, приходящейся на единицу объема. Филь- трующие элементы обычно имеют прямоугольную, реже клино- образную форму с одним открытым торцом, которым они закреп- ляются в распределительной перегородке. Каждый мешок, как наволочка, надет на опорный проволочный (сеточный) каркас (рис. IV.24). Поток запыленных газов поступает с внешней стороны внутрь каркаса (предотвращает сплющивание мешков). Элементы обычно укрепляются на вертикальной перегородке со стороны запылен- ного потока газов; при этом уплотняющий жгут плотно входит 190
Рис. IV.24. Схема плоского каркасного фильтра. в специальные пазы и элементы удерживаются штангами. При креплении элементов со стороны потока чистых газов площадь перегородки используется менее экономично, но такое крепление более удобно. Элементы фильтра имеют следующие размеры: высота 600—1200 мм, глубина 300— 500 мм, толщина 25—50 мм. Фильтры с плоской раз- верткой ткани бывают пе- риодического или непрерыв- ного действия; они регене- рируются различными спо- собами: обстукиванием49, виб- рацией, импульсной продув- кой, обратной продувкой воздухом с помощью пере- мещающегося вдоль перего- родки вентилятора (рис. IV.25) или продувочного сопла80. Сравнительными испытаниями установлено81, что работа пло- ских и рукавных фильтров мало отличается, но выходная концен- Рис. IV.25. Фильтр фирмы «Пангборн» с плоскими фильтрующими элементами и с непрерывной обратной продувкой элементов: 1 — входной патрубок фильтра; 2 — экран; 3 — механизм для перемещения продувоч- ного устройства; 4 — плоские каркасные элементы; 5 — проходы; 6 — чистая зона; 7 — шлюзовые затворы; 8 — бункера; 9 — перегородка; 10 — перемещающееся устройство с вентилятором для продувки фильтрующих элементов; 11 — выходной патрубок. трация пыли в газах после плоских фильтров, особенно при ис- пользовании фетров, ниже, чем после рукавных фильтров. При- менение плоских фильтров ограничено для трудноудаляемых пы- 191
Лей вследствие зависания пыли между элементами й меньшей интенсивности регенерации, чем в рукавных фильтрах. Произво- дительность плоских каркасных фильтров обычно не превышает 5,6 мЧсек (20 000 м3/ч)\ известны также фильтры производитель- ностью 28 м31сек. (100 000 м3/ч), состоящие из 600—700 элементов. Несмотря на преимущества (по габаритам) фильтров с плоской разверткой ткани, они используются в промышленности реже, чем рукавные. К недостаткам описываемых фильтров следует от- нести сложность смены мешков; кроме того, трение ткани о сетки может сократить срок их службы, несмотря на то, что часто на каркас специально наносится полимерное покрытие. СПОСОБЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ Величина гидравлического сопротивления, эффективность очи- стки газов, срок службы тканей и надежность работы фильтров во многом зависят от эффективности удаления уловленной пыли с фильтрующих материалов. Свойства пыли и структура ткани влияют на осаждение пыли, а величина перепада давления на ткани обусловливает силу поджатия слоя к ткани. Эта сила весьма значительна, поэтому при регенерации обычно отключают поток газов. Силы сцепления слоя действуют параллельно и перпенди- кулярно поверхности ткани, причем первые силы значительно больше и поэтому поперечные перемещения более эффективны. Кроме того, следует учитывать влияние электрических сил. Разрушение пылевого слоя, сопровождающееся соответствую- щим снижением гидравлического сфпротивления, происходит по ослабленным когезионным связям, без нарушения адгезионного взаимодействия частиц с волокнами, так как последнее весьма ве- лико. Поэтому важное значение для удаления пыли имеют струк- турные неоднородности слоя, обусловленные наличием крупных частиц в слое, подвижностью нитей в тканях, колебаниями тка- ней при фильтрации, вызывающими агломерацию пыли, и другими причинами. При разрушении слоя обычно отделяются куски, а ускорение отрыва не превышает 10—20 единиц земного ускорения. Чем больше разница в размерах частиц пыли и толще осадок, тем вероятнее возникновение в структуре слоя ослабленных связей и тем глубже происходит регенерация. В связи с этим установка перед тканевыми фильтрами циклонов часто затрудняет регене- рацию тканей. Существуют основные два способа регенерации запыленных тканей: 1) встряхивание фильтрующих элементов (механическое, аэро- динамическое путем пульсаций или резких изменений направления фильтруемого потока газов, воздействие звуковых колебаний и др-); 192
2) обратная продувка фильтрующих элементов очищенными газами или воздухом (нагнетание в секцию газов с низким давле- нием при большом расходе, подсос атмосферного воздуха, струй- ная локальная продувка каждого рукава или плоского элемента и др.). В большинстве фильтров сочетаются два типа регенерации. Встряхивание — широко используемый способ регенерации, обеспечивающий эффективное разрушение слоя пыли при знако- переменных ускорениях ткани, вызывающих ее деформацию и сдвиг осадка. Встряхивание должно быть кратковременным и резким, но не настолько сильным, чтобы вызвать боль- шие механические усилия в ткани. Механическое встря- хивание. Наиболее эффек- тивно механическое встряхива- ние рукавов в продольном на- правлении, но при этом сильно изнашиваются рукава, особенно в нижней части. Колебатель- ные перемещения верхних частей рукавов в горизонтальном на- правлении вызывают меньший износ, но они и менее эффек- тивны, так как колебания слабо распространяются по длине рукавов (рис. IV.26). Было установлено®2, что для каждой амплитуды колебания существует определенный предел интенсивности встряхивания, выше которого дальнейшее продолжение встряхивания не вызы- вает заметного снижения сопротивления (рис. IV.27) и увеличе- ния количества накопленной пыли на ткани между регенерациями (рис. IV.28). Причем оптимальные величины амплитуд и число колебаний связаны между собой (рис. IV.29). Максимальное ускорение встряхивания а (в м/сек2) определяется по уравнению а = 2л2Л/3 (IV.9) Рис. IV.26. Способы встряхивания рукава: а — встряхивание в горизонтальном на- правлении; б — ослабление и натяжение рукава в вертикальном направлении; где А — амплитуда встряхивания, м\ f — частота встряхивания, гц. Наиболее эффективны начальные колебания, а дальнейшее встряхивание почти не влияет на глубину регенерации, поэтому циклы регенерации должны быть оптимально короткими, с тем чтобы износ тканей был минимальным. Экспериментально уста- новлено9, что при встряхивании 85% удаляемой пыли выпадает 13 в. Н. Ужов 193
Продолжительность очистки (число колебаний при встряхивании) Рис. IV.27, Влияние длительности очистки (числа колебаний) на величину остаточного сопротивления (и — 0,9 м/мин, амплитуда колебаний при встряхива- нии 25 мм) при разной частоте колебаний рукавов (в 1 мин)-. 1 — 494 (для летучей золы); 2 — 405 (для печного возгона); 3 — 135 (для летучей золы) Ускорение ВстряхиВания-Ю Б, м/мин2 Рис. IV.28 Влияние ускорения встряхива- ния на пылеемкость ‘‘ткани (скорость филь- трации и = 0,91 м/мин, ^Рт. п = 830 Рис. 1V.29. Зависимость продолжительности очист- ки (числа колебаний) от амплитуды встряхивания до достижения конечного сопротивления Дрт п = = 830 н/л? (и = = 0,91 м/мин.', пыль — летучая зола). Продолжительность очистки (число колебаний.) 194
в течение первых 5 сек, в последующие 30 сек удаляется еще 3% пыли. Количество удаленной пыли неравномерно по длине рукава; обычно в средней части рукавов остается больше пыли, что вызы- вает неравномерное распределение скоростей газов и более быстрое изнашивание тех мест, где глубже проходит регенерация — в верх- ней или нижней частях, в зависимости от способа встряхивания. Минимальная фильтрующая поверхность тканей и максималь- ный срок службы рукавов достигаются при сочетании коротких циклов фильтрации и регенерации. Однако если эффективность Рис. IV.30. Зависимость удельного сопротивления ткани в рукавном фильтре от: а — продолжительности цикла фильтрации при разных скоростяхУ(в м/мин): 1 —£0,63; 2 — 0,87; 3 — 1,08; б — скорости фильтрации при различной продолжительности цикла фильтрации (в глин): 4 — 10; 5 — 20; 6 — 30. очистки газов сразу же после встряхивания очень низка и осадок образуется медленно, необходима высокая начальная скорость, обеспечивающая быстрое образование такого осадка, а затем про- должительный период эффективной очистки газов до достижения заданного Лрт. п. Такой метод часто используется при эксплуата- ции высокотемпературных стеклотканевых фильтров, которые работают при низких скоростях и продолжительных циклах фильт- рации. Было показано41, что расход энергии, пропорциональный сопротивлению, линейно возрастает с увеличением интервалов между регенерациями, Однако длительность цикла фильтрации при данной скорости не сильно влияет на расход энергии, особенно в условиях низких значений нагрузок по газу (рис. IV.30, а). При определенных интервалах с увеличением скорости расход энергии увеличивается экспоненциально (рис. IV.30, б). Эти экспериментальные зависимости получены при фильтрации летучей золы в стеклотканевых фильтрах. Влияние изменения длительности интервалов между регене- рациями и величины исходной концентрации пыли на сопротив- ление фильтра можно проследить на следующем примере3®. При установке новой дробилки известнякового камня исходная кон- 13* 195
центрация пыли возросла с 6,9 г/м3 до 16,1 г/м3, расход аспири- руемого воздуха через рукавный фильтр остался прежним. Сопротивление фильтра при работе старой дробилки составляло 0,89к«/л2 (91 мм вод. ст.) при интервалах между регенерациями 30 мин. Скорость фильтрации во всех испытаниях была равна 0,87 м/мин. Сопротивление фильтра при работе новой дробилки в зависи- мости от изменения интервала между регенерациями каждой сек- ции приводится ниже: Интервал между регене- рациями, мин . . . Сопротивление фильтра, 30 20 10 кн/ж2 1,5 1,2 0,89 мм вод. ст. 155 123 91 Максимальная эффективность регенерации ткани может быть достигнута при однородной очистке всей поверхности рукавов в секции; очистка отдельных участков может существенно снизить сопротивление фильтра, но при этом после возобновления цикла фильтрации Дрт. п быстро возрастает. Операция встряхивания рукавов в продольном направлении заключается в поднятии штанги подвеса на 7—10 см и свободном падении ее в последующем с этой высоты вместе с рукавами на подушки, которые амортизируют удар. Подъем и сброс рукавов повторяется 5—15 раз в зависимости от свойств пыли. Этот способ регенерации в сочетании с обратной продувкой весьма эффективен и применяется для тяжелых ворсованных тканей, на которых удер- живается в равновесном состоянии до 1 кг/м2 пыли. Колебания рукавов в поперечном направлении чаще используются для тонких тканей с гладкой поверхностью. Механизмы встряхивания должны быть доступными для об- служивания, а изнашивающиеся части выведены из газового по- тока. Ряд зарубежных фирм15- 53 выпускает фильтры, в которых пре- дусматривается регенерация рукавов за счет их колебания с вы- сокой частотой под действием механических или электромагнитных вибраторов, а также вибраторов, работающих от электропривода. В таких фильтрах обеспечивается постоянное натяжение ткани с помощью пружин или каркасов, а специальные амортизаторы препятствуют передаче колебаний от вибрирующей системы на корпус фильтра. На рис. IV.31 представлена одна из конструкций такого вибрационного фильтра. Аэродинамическое встряхивание. При этом виде встряхивания происходит пульсирующая подача газов или воздуха между рукавами (рис. 1V.32), вызывающая достаточно интенсивное колебание рукавов и частичную их продувку, но не обеспечивающая равномерную регенерацию: вблизи сопел рукава очищаются слишком интенсивно, а в центре камеры — недоста- точно. 196
Этот метод используется главным образом при улавливании грубых пылей. К преимуществам его следует отнести то, что при регенерации рукава остаются надутыми. Аэродинамическое встряхивание также может осуществляться путем подачи импульса сжатого воздуха внутрь каждого филь- трующего элемента. Такой вид регенерации используется в кар- касных, рукавных и плоских фильтрах (рис. IV.33). Избы- точное давление сжатого воз- духа при регенерации соста- вляет 0,4—0,8 Мн!м2 или 4—8 ат; длительность импуль- са 0,1—0,2 сек; частота импуль- сов зависит от характера изме- Рис. IV.31. Рукавный фильтр Рис. IV.32. Схема рукавного с вибратором: фильтра регенерируемого 1 - вибратор; 2 - стержни пульсирующей продувкой для натяжения рукавов; 3—внб- ВОЗДУХОМ между рукавами: рационная рама; 4 — сдвоенный клапан для очищенных газов и { продувочный вентилятор; продувочного воздуха. - рукава; 3 продувочные нения сопротивления. Установлено54, что увеличение длитель- ности импульса неэффективно, а остаточное равновесное сопро- тивление фильтра обратно пропорционально квадрату давления и частоте импульсов в степени 0,5. В этом методе механическое встряхивание, обеспечивающее деформацию ткани, сочетается с обратной продувкой, так как происходит эжектирование в рукав очищенных газов. В качестве фильтрующего материала обычно используются фетры, ибо ткани часто очищаются слишком интенсивно. Такие фильтры не имеют подвижных частей и фильтрация происходит непрерывно без отключения секций при почти постоян- 197
ных значениях сопротивления и расхода очищаемых газов; управ- ление электромагнитными клапанами сжатого воздуха автомати- зировано. Расход продувочного сжатого воздуха составляет 0,1—0,2% от количества очищаемых газов; при использовании перемещающегося сопла количество электромагнитных клапанов Рис. IV.33. Каркасный рукавный фильтр с импульсной продувкой: 1 — соленоидный клапан; 2 — труба для ввода сжатого воздуха; 3 — сопло; 4 — струя сжатого воздуха; 5 — прибор автоматиче- ского управления регенерацией; 6 — рукав; 7 — каркас; <8 — бункер. может быть уменьшено и таким образом значительно повышена надежность рабо- ты фильтров ®5. В таких фильтрах воз- можно увеличение нагрузки по газу до 2,5 м/мин, а также температуры эксплуатации до 250° С (при использовании тефлона или ноумекса) и ра- бота в очень агрессивных средах, например при очистке газообразного хлора от пыли13. Импульсным способом можно регенерировать сразу всю секцию (рис. IV.34), направляя сжатый воздух навстречу газам, поступаю- щим в фильтр. Тканевые каркасные фильт- ры с импульсной регенера- цией широко применяются в технологических процес- сах с не очень большим, но постоянным расходом воз- духа или газов: в системах пневмотранспорта, распыли- тельной сушки, при измель- чении порошков в струйных мельницах. Встряхивание с помощью звуковыхко- л е б а н и й. Попытки интенсифицировать регенерацию фильтров с помощью звуковых колебаний в сочетании с обратной продувкой при улавливании возгонов цинка, сажи и цементной пыли пока не нашли промышленного применения. Имеются только патенты56- 57, а также описаны опытно-промышленные установки9. Обратная продувка фильтрующих элементов. Обрат н а я продувка воздухом или очищенными га- зами отдельных элементов или секций без механического встря- хивания применяется в каркасных плоских и рукавных фильтрах. На рис.. 1Уч25 была, показана, последовательная продувка.элемен- 198
тйв с помощью вентилятора, расположенного в чистой зоне и пере- мещающегося с помощью цепной передачи вдоль панели. Причем продувочное устройство перекрывает одновременно три элемента, однако воздух проходит только через средний, а в соседних эле- ментах воздух отсекается диафрагмами. Это предотвращает пов- торное осаждение пыли на ткани соседних элементов. Продувочное сопло может перемещаться стальной лентой с при- водом, расположенным вне корпуса60. Рис. IV.35. Схема рукавного фильт- ра с обратной продувкой путем подсоса атмосферного воздуха: а — рукавный фильтр в период фильт- рации; б — рукавный фильтр в период регенерации. Рис. IV.34. Рукавный фильтр с импульс- ной регенерацией отдельных секций: I — рукава в период регенерации; 2—фильт- рующие рукава; 3 — штуцер для подачи сжа- того воздуха; 4 — клапан. В фильтрах, работающих под разрежением, при хорошем на- тяжении рукавов или оснащении их кольцами жесткости регене- рация может проводиться только обратной продувкой тканей атмосферным воздухом. В этом случае демпфер на выходе из сек- ции блокируется с клапаном подсоса (рис. IV.35), с тем чтобы открытие и закрытие соответствующих заслонок происходило одновременно. Особенно успешно такой способ регенерации при- меняется при наличии легко удаляемой пыли, но если остаточное сопротивление велико вследствие слипаемости пыли, то количество подсасываемого воздуха может не обеспечить поддержание сопро- тивления на определенном уровне. Более глубокая очистка ткани периодически прерываемым обратным потоком очищенных газов достигается при использова- нии отдельного вентилятора (рис. IV.36). В таком фильтре секцио- нированы только бункера, которые связаны газоходами с подво- дящим коллектором и коллектором для продувочных газов; 199
в газоходах установлены клапана на каждую секцию. При регене- рации закрывается клапан неочищенных газов на бункере очищае- мых рукавов и открывается клапан для продувочных газов. Вен- тилятор отсасывает очищенные газы из зоны чистых газов через рукава в обратном направлении и нагнетает их в зону неочищенных газов. При этом рукава деформируются с образованием по всей Рис. IV.36. Схема рукавного фильтра с обратной продувкой очищенными газами, подаваемыми вентилятором (продувочный клапан крайней секции открыт): / — продувочный вентилятор; 2 — клапан загряз- ненных газов: 3 — продувочные клапаны. длине складок в виде розетки, а пыль выпадает в бункер. Процесс регенерации кратковременный (1—2 сек) и регулируется дроссель- ным клапаном. После закрытия обоих клапанов пыль падает в бун- кер (при отсутствии движения газов) и рукава постепенно разду- ваются за счет выравнивания давления. Затем при автоматическом управлении клапанами возобновляется цикл очистки. Принци- пиальная схема этого способа регенерации, часто называемая коллапс-методом, показана на рис. IV.37. Надежность регенерации обеспечивается при тщательной гер- метизации обоих клапанов. Коллапс-метод часто применяется в фильтрах без корпуса, работающих под давлением. В этом случае продувочный газоход связан с всасывающим патрубком вентилятора и отдельный венти- лятор не ставится. Во время регенерации происходит плавный изгиб рукавов, при котором разрушается пылевой слой. В фильтрах с обратной продувкой используются рукава из стеклянной ткани, обеспечивающие продолжительный срок службы при фильтрации газов с температурой до 230° С в процессе очистки 200
от сажи, металлургических возгонов, цементных пылей, золы тепловых электростанций и других загрязненных газов. В результате анализа различных способов регенерации тканей установлено, что наиболее эффективными и перспективными яв- ляются методы, в которых механическая деформация сочетается с обратной продувкой тканей (даже применительно к стеклотка- невым фильтрам). Рис. IV.37. Схема работы рукавов при регенера- ции коллапс-методом: а — период фильтрации газов; б — период всасывания (сжатие рукавов); в — период оседания пыли в бун- кер; 1 — продувочный клапан: 2 — клапан загрязнен- ных газов; 3 — затвор. Рис. IV.38. Схема работы рукавного фильтра с об- ратной струйной продув- кой: 1 — рукав; 2 — кольцо со щелью и патрубком для подвода сжатого воздуха. Выбор способа регенерации во многом зависит от вида пыли и используемой ткани, но кроме того, большое значение имеют испытания в реальных условиях с целью изучения поведения пыли при встряхивании и продувке. Обратная струйная продувка. На рис. IV.38 показан принцип работы фильтра с обратной струйной продувкой, заключающийся в следующем. Вдоль рукава вверх и вниз движется полое кольцо, через щель которого происходит истечение радиаль- ной высокоскоростной струи сжатого воздуха, выдувающей пыль в направлении, обратном фильтрации. Воздух подается в кольцо или раму с кольцами от высоконапорного вентилятора или газо- дувки через гибкие шланги. Разрушение слоя пыли является результатом одновременной деформации кольцами фильтрующего материала и выдувания пыли струей 58-60, выходящей со ско- ростью 10—30 м/сек. Удаленная пыль выпадает в бункер, причем 201
этому способствует движение загрязненных газов сверху вниз. Так как площадь регенерации (определяемая площадью щели кольца) при этом способе незначительная, очистка фетров произ- водится без прекращения фильтрации с сохранением стабильного расхода газов через фильтр (колебания расхода газов составляют ±3% от нормального). Рис. IV.39. Рукавный фильтр с обратной струйной продувкой: / — рама с продувочными кольцами; 2 — гибкий шланг для подвода продувочного воз- духа; 3 — цепи для перемещения рамы; 4 — двигатель с высоконапорным вентилятором. На рис. IV.39 показан рукавный фильтр с обратной струйной продувкой РФОСП. Ниже приводится техническая характеристика РФОСП: Эффективность улавливания пыли, % Входная концентрация пыли, мг/м? Скорость фильтрации, м/мин . . при улавливании: возгонов ...................... тонких пылей................... грубых пылей при низких кон- центрациях .... Сопротивление, кн/м2 .............. Скорость перемещения рамы с коль- цами, м/мин ..................' . . Скорость истечения струи, м/сек. Оптимальный расход продувочного воздуха, м3/мин ... Ширина щели, мм............ Напор вентилятора, кн/лг .... До 99,999 20 и выше 2—10 2—3 3,5—6 7—10 0,7—2 (70—200 мм вод. ст.) 6—15 10—30 1,0—1,5-10“3 (на 1 мм щели) 0,75—6,2 6—8 (600—800 мм вод. ст.) 202
Скорость фильтрации в этих фильтрах в 3—5 раз выше, чем в других фильтрах при аналогичных условиях. Обычно сопро- тивление фильтров РФОСП составляет 750—1250 н!м2. Скорость перемещения рамы с кольцами зависит от свойств пыли и входной концентрации, причем продувка чаще всего проводится при дви- жении рамы сверху вниз. Рама перемещается с помощью цепного привода. Скорость истечения струи61 обычно не превышает 25 м!сек\ с увеличением скорости истечения возрастает проскок пыли. Сред- няя ширина щели составляет 1,0—2,0 мм\ при более широких щелях (2—3 мм) можно использовать недорогие центробежные вентиляторы. В случае невысокой запыленности газов продувка включается периодически и занимает немного времени; например, при запыленности 2—10 г/л:3 продувка занимает 12—30% от про- должительности фильтрации. С уменьшением продолжительности продувки проскок частиц резко снижается, поэтому эффективность этих фильтров особенно высока62 при малой входной запылен- ности: концентрация пыли в очищенном газе составляет 0,1 — 0,01 мг/м3. Недостатком фильтров типа РФОСП является чрезмерное истирание фетров вследствие частой регенерации, особенно при улавливании абразивных пылей; для уменьшения износа приме- няют подвижные самоустанавливающиеся полукольца, поверх- ность которых специально обработана. Фильтры РФОСП применяют довольно широко: для очистки возгонов от печей ферросилиция 63, при дроблении и сушке песка передвижных асфальтовых установокм, в различных размольных и пневмотранспортных системах, при распылительной сушке, на самоходных буровых установках. Особенно успешно их используют на урановых и свинцовых заводах 65- 66, так как наиболее полно соответствуют требованиям безопасной работы и при наличии одной ступени очистки обеспе- чивают в рабочих помещениях предельно допустимую концентра- цию пыли. ТКАНЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ С ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ФИЛЬТРУЮЩИМ СЛОЕМ Обычные тканевые фильтры не обеспечивают требуемой вели- чины выходной концентрации пыли при исходной концентрации 5 мг/м3 вследствие медленного образования эффективно фильтрую- щего пылевого слоя. Но их особенности — надежность и автома- тическое удаление уловленной пыли — желательно использовать при очистке газов от пылей, предельно допустимая концентрация которых составляет 0,1—0,001 мг/м5 (бериллий, уран, ртуть, некоторые ядохимикаты). Для преодоления недостатка тканевых фильтров на их поверхность наносят дополнительный волокнистый 203
слой, обладающий низким гидравлическим сопротивлением и вы- сокой эффективностью. Для образования такого слоя используют асбестовые волокна, получаемые расщеплением природного ломкого асбеста. Волокна вдуваются в поток газов перед фильтром и осаждаются на вну- тренней поверхности рукавов (100—150 г!м2). Сопротивление слоя составляет 30—70 н/м2 (3—7 мм вод. ст.) при скорости филь- трации 1 м/мин. В фильтрах с таким слоем эффективность улавли- вания частиц масляного тумана размером 1,2 мкм увеличивается 67 с 20,3 до 99,9%. Такие установки успешно используются в качестве завершаю- щей ступени очистки после обычных рукавных фильтров в произ- водстве бериллия68169, при очистке атмосферного воздуха, пода- ваемого через пористые керамические элементы для аэрации сточ- ных вод, при очистке приточного воздуха в машинных залах, производственных помещениях фармацевтической и кино-фото- промышленности42- 68. Производительность этих установок достигает 1,2 млн. м91ч\ срок службы их составляет от 1 до 3 лет; фильтры не требуют ухода. При достижении заданного сопротивления слой асбеста вместе с уловленной пылью удаляется встряхиванием, после чего наносится новый слой. В качестве вспомогательного слоя применяют также порошки соответствующих соединений. Фильтры с таким слоем исполь- зуются для химической сухой очистки газов от паров фтористого водорода и окислов серы42. Например, при очистке газов в произ- водстве алюминия введение в поток порошка извести или мела позволило довести эффективность очисрки газов от паров фторис- того водорода до 95% и одновременно от пыли до 99%. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ Промышленные тканевые фильтры должны надежно обеспе- чивать заданную эффективность очистки газа; гидравлическое сопротивление их не должно превышать величину, предусмотрен- ную проектом; если сопротивление установки больше напора, раз- виваемого вентилятором, то снижается производительность системы и не обеспечивается отсос газов. Кроме того, максимальное зна- чение сопротивления не должно достигаться до момента регенера- ции (расчет этой величины проводится по расходу энергии при обес- печении надежной работы фильтра). Исходя из практических и экономических соображений, сопротивление фильтров не должно превышать 750—1500 н/м2 (75—150 мм вод. ст.) и только в особых случаях величина его может достигать 2—2,5 кн/м2 (200—250 мм вод. ст.). При более высоком значении сопротивления резко увеличивается проскок и возможен срыв рукавов или их разрушение по шву в результате 204
аэродинамических ударов при переключении секций на регенера- цию. Приведенные данные о сопротивлении фильтров получены на основании многолетней эксплуатации тканевых фильтров. Эффективность очистки газов в тканевых фильтрах достаточно высока, но величина эта зачастую зависит от многих случайностей и может снижаться при браке ткани, плохом прижиме рукавов на патрубках или в гнездах, негерметичности трубных решеток, срыве, износе или вытяжке рукавов. Учитывая также, что величина выходной концентрации в значительной мере обусловливается проскоком пыли в периоды, следующие сразу же за регенерацией и уносом частиц из ткани в результате локальных изменений ско- ростей газов и чрезмерной деформации ткани, при расчетах газовую нагрузку не следует завышать. Таким образом, основным фактором, определяющим площадь фильтровальной ткани в установке, является перепад давления на ткани, а не величина эффективности очистки газа, и только в отдельных случаях допустимая газовая нагрузка на ткань может определяться величиной выходной концентрации пыли. Для приближенного расчета площади фильтрации тканевого фильтра необходимо определить общий расход запыленных газов, поступающих на ткань (с учетом подсосов на пути от источника пылевыделения до фильтровальной ткани), и расход продувочных газов или воздуха, поступающих из регенерируемой секции. Кроме того, надо знать нагрузку по газу (скорость фильтрации), кото- рую принимают на основании опыта эксплуатации в зависимости от применяемой ткани. Общая площадь фильтрации S (в м2) установки составит: S = Sp + Sc = V1 + Va + Sc (IV.8) где Sp — площадь фильтрации в одновременно работающих секциях, л«2; Sc — площадь ткани в регенерируемой секции, л«2; Vi — расход запыленных газов с учетом подсоса (в газоходе и бункере), м31мин‘, У2 — расход продувочных газов или воздуха, м3/мин-, и — скорость фильтрации (газовая нагрузка на ткань), м3/(м2-мин). Ниже приводятся значения газовой нагрузки для различных тканей: Шерстяная _ _ или Синтети- Стеклян- Ткань хлопчато- ческая ная бумажная Нагрузка по газу, м3/(м2-мин) . . . 0,6—1,2 0,5—1,0 0,3—0,9 205
Для легкоудаляемых пылей и малых концентраций пылй (менее 1 г/м3) нагрузка по газу при использовании шерстяных тканей может быть увеличена до 3,0 м31(м2-мин). При исполь- зовании синтетических тканей нагрузку принимают на 10—15% ниже, чем для шерстяных, учитывая их меньшую удерживающую способность. По данным многочисленных промышленных испытаний, вы- ходная концентрация пыли при этих условиях составляет 20— 50 мг!м3 при начальной концентрации пыли 5—50 г/м3; при более низкой начальной концентрации конечная концентрация также ниже. Практически установлено, что в большинстве случаев вели- чина газовой нагрузки и износ рукавов, в первую очередь, зави- сят от величины входной концентрации и дисперсности пыли и обычно большая запыленность и высокая дисперсность вызывают необходимость увеличения размеров фильтра, если расчетное значение сопротивления фильтра должно оставаться в пределах 1—1,5 кн/м3 (100—150 мм вод. ст.). Поэтому при расчете требуемой поверхности ткани иногда исходят не из принимаемой газовой нагрузки, а из количества пыли, поступающей на единицу поверх- ности ткани в единицу времени70. Полагают, что для нормальной эксплуатации фильтров, например, в цементной промышленности это количество пыли на 1 м2 ткани не должно превышать 1,2— 1,8 г/(м2-мин). Исходя из этого, расчетная нагрузка по газам определится из уравнения где zr — входная концентрация пылй, г/м3. Например, при = 20 г/м3 нагрузка по газам составит || = = 0,9 м3/(м2-мин). Определив общую площадь ткани, находят требуемое число фильтров или секций п в многосекционной установке: п = ~ (IV.10) ^>1 где Sr — площадь фильтровальных рукавов в одном фильтре (в одной секции), м2. Так как п должно быть целым числом, полученное значение округляют в сторону увеличения числа фильтров или секций. Общее сопротивление установки с рукавными фильтрами пред- ставляет собой сумму допускаемого сопротивления ткани, расчет- ных сопротивлений газоходов и корпуса фильтра (на входе и вы- ходе газов). Расход продувочного воздуха на регенерацию обратной про- дувкой составляет 1,5—1,8 м3/(м2-мин), а отношение расхода продувочного воздуха к расходу воздуха при фильтрации — 1,5—2. 206
Для синтетических и стеклянных тканей это отношение прини- мается меньшим, чтобы избежать слишком интенсивной очистки. Вентилятор выбирают по количеству газов после фильтров; к объему фильтруемых газов добавляют объем воздуха или газов обратной продувки, а также объем подсасываемого воздуха (на- пример, для фильтров типа РФГ этот объем составляет в среднем 27% от начального объема при нормальных условиях). Зная общий объем газов и суммарное сопротивление установки, выби- рают вентиляторы с требуемыми характеристиками. При выборе ткани для определенных условий работы учиты- вается конструкция фильтра и способ регенерации, запыленность газов, свойства осаждаемой пыли, состав и температура газов, особенности технологического процесса. На основе этих данных выбирается тип волокна или пряжи, переплетение ткани и способ ее отделки. Хлопчатобумажные и другие недорогие ткани обычно исполь- зуются для улавливания легко удаляемых и неабразивных пылей с входной концентрацией! 20 г/л<3 при температуре неагрессивных газов до 80—90° С. Для трудно удаляемых пылей и химически агрессивных газов выбирают ткани из синтетических волокон с учетом рабочей температуры; в этих случаях необходима тон- кая и плотная ткань с гладкой поверхностью, в то время как для улавливания зернистой, плохо удерживаемой пыли используются более плотные ворсованные ткани, причем для увеличения эффек- тивности очистки и уменьшения сопротивления снижают газовую нагрузку на ткань. Выше указывалось, что величина перепада давления на фильтре в значительной мере определяется способом регенерации ткани. Если принятый способ регенерации малоэффективен, то для ус- пешного удаления пыли с ткани необходимо либо накапливать толстые слои пыли при соответствующем снижении скорости фильтрации, что ведет к увеличению габаритов фильтра, либо интенсифицировать способ регенерации, но при этом сокращается срок службы тканей, так как они подвергаются сильным механи- ческим воздействиям. Капитальные затраты на такие фильтры обычно ниже, но возникающие в'последующем',расходы на обслу- живание и замену рукавов и изнашивающихся деталей очень велики. Для обеспечения непрерывности работы таких установок предусматриваются дополнительные секции, при наличии которых текущий ремонт может проводиться без остановки всего агрегата. При использовании фильтров, в которых регенерация не вызы- вает сильного износа ткани, но связана со значительным увели- чением площади фильтрации, капитальные затраты увеличиваются, но продолжительность их работы без дорогостоящих остановок на текущий ремонт значительно’возрастает. Большие',капитальные затраты в этом случае компенсируются за счет более длительной работы рукавов и запасных деталей без замены и снижения стои- 207
мости обслуживания. Нередко срок службы тканей таких устано- вок достигает 20 000 рабочих часов44, что невозможно достичь в фильтрах с обратной продувкой с одновременным вертикальным встряхиванием рукавов. Следует отметить, что расходы на замену одного комплекта рукавов составляют 10—20% от общих эксплуа- тационных расходов; возможно поэтому в США очень мало тка- невых фильтров оборудовано системой регенерации с механичес- ким вертикальным встряхиванием (типа БЭТ). КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ Рукавные фильтры с механическим встряхиванием рукавов и обратной продувкой ткани. Рукавные фильтры типа ФВ (фильтры всасывающие). Автоматизированные рукав- ные фильтры ФВ предназначены для очистки воздуха от сухой Рис. 1V.40. Рукавный фильтр типа ФВ (МФУ): 1 — корпус с бункерами; 2 —рукава; 3 — механизм встряхивания; 4 — шнек; 5 — шлю- зовый затвор. минеральной, а также слипающейся пыли (мучной, крупяной, цементной и т. п.) и рассчитаны на работу под разрежением. Рукавный фильтр типа ФВ (рис. IV.40) состоит из корпуса 1, представляющего собой камеру с бункерами для пыли, разделен- ную на несколько независимых секций; в корпусе имеются люки для доступа к фильтрующим рукавам 2. На крышке камеры смон- тированы клапаны механизма встряхивания 3 и автоматического 208
управления (с приводом); для выгрузки пыли имеется шнек 4 со шлюзовым затвором 5. В качестве фильтрующего материала используется фильтро- вальное сукно № 2. Нижние концы рукавов закреплены на пат- рубках плиты с отверстиями, которая установлена между камерой и бункером в каждой секции. Верхними глухими концами рукава подвешены к раме подвеса, которая в свою очередь висит на сво- бодно пропущенном через крышку стержне, опирающемся на опорную конструкцию в крышке аппарата. Рукава снабжены кольцами жесткости. Запыленные газы подводятся через патрубки, расположенные в бункерных частях секций, а очищенные — отводятся через патрубки, расположенные на крышке фильтра; в патрубках уста- новлены дроссельные клапаны для включения и отключения газов и продувочного воздуха, управляемые рычажно-кулачковым меха- низмом. Регенерация рукавов производится посекционно через каждые 3,5 мин и продолжается 30 сек,. На время регенерации рычажно- кулачковый механизм закрывает клапан выхода газов и открывает патрубок для ввода наружного продувочного воздуха в секцию. Под действием разрежения в бункере регенерируемой секции, которое создается отсасывающим вентилятором, наружный воз- дух засасывается в секцию и проходит через ткань рукавов в на- правлении, обратном потоку очищаемых газов, при этом ткань продувается и образовавшийся на ее внутренней поверхности слой пыли разрушается. Одновременно рычажно-кулачковый механизм встряхивает рукава, поднимая и сбрасывая раму подвеса рукавов при помощи стержня подвеса. Уловленная пыль падает в бункер и шнеком 4 через пылевой затвор удаляется из фильтра, а проду- вочный запыленный воздух смешивается с поступающим на очистку газом и распределяется по рабочим секциям фильтра. По оконча- нии регенерации рычажно-кулачковый механизм включает сек- цию в работу, после чего выводится на регенерацию следующая соседняя секция. Количество воздуха, подсасываемого в фильтр, составляет около 15%. Конструкцией предусмотрена возможность установки фильтра на полу. Сборник пыли и выпускной канал с пылевым затвором располагаются ниже уровня пола под перекры- тием. В табл. IV.6 приведены технические характеристики рукав- ных фильтров ФВ. Многосекционные рукавные фильтры типа РФГ. Эти фильтры * предназначены для обеспыливания промышленных газов и аспи- рационного воздуха на предприятиях цветной металлургии. Они могут работать под избыточным давлением или под разрежением. * Разработаны Гипроцветметом. 14 В. Н. Ужов 209
ТАБЛИЦА IV.6 Технические характеристики рукавных фильтров типа ФВ * Показатели Фильтры ФВ-30 ФВ-45 ФВ-60 ФВ-90 Поверхность фильтрации, л2: . общая .... 30 45 60 90 рабочая 15 30 45 75 Число секций . 2 3 4 6 Число рукавов: в секции 18 18 18 18 » фильтре 36 54 72 108 Диаметр рукава, мм 135 135 135 135 Длина рукава, мм 2090 2090 2090 2090 Рабочая фильтрующая площадь ру- кава, м2 0,83 0,83 0,83 0,83 Допускаемая температура очищаемых газов, °C 80 80 80 80 Мощность электродвигателя механиз- ма встряхивания, кет . . 1,1 1,1 1,1 1,1 Габариты фильтра, м: длина ... 1,44 1,97 2,49 3,53 ширина 1,58 1,58 1,58 1,58 высота . . 4,1 4,1 4,1 4,1 Масса фильтра, кг ...... 900 1210 1460 2000 Фильтры ФВ изготавливает Щебекинский машиностроительный завод. В фильтрах этого типа имеется больше секций, чем в фильтрах ФВ, и рассчитаны они на очистку значительных количеств газов. Промышленностью выпускаются фильтры РФГ-УМС одно- рядные и двухрядные с числом секций от 4 до 20. В зависимости от температуры очищаемых газов для рукавов используются различные материалы: ткани ЦМ, хлопчатобумаж- ные ткани, сукна, нитрон, лавсан. При повышенной влажности газов предусматривается подогрев продувочного воздуха до температуры не менее чем на 10—15° С выше точки росы паров и теплоизоляция корпуса фильтра. Газы, поступающие на очистку, не должны вызывать коррозию конструк- тивных элементов фильтра при эксплуатации. В соответствии с рекомендациями Гипроцветмета влажность газов в условиях хорошей изоляции корпуса и продувки подо- гретым воздухом должна составлять: Температура газов, °C .... 130 105 90 75 50 Точка росы, °C (не выше) 85 70 60 50 35 Нормальный расход воздуха на продувку рукавов составляет 10—15% от производительности установки: подсос через неплот- ности — 10%. 210
Регенерация фильтровальной ткани в фильтре РФГ произво- дится автоматически, посекционно: механизм управления рычажно- кулачкового типа периодически отключает подачу газа в одну из секций и выводит ее на регенерацию. При регенерации на ткань рукавов воздействует механизм встряхивания и одновременно включается обратная продувка воздухом. Продолжительность регенерации одной секции составляет около 1 мин, а периодич- ность регенерации 1 раз в 4,25 мин или в 8,5 мин. Продувочный воздух подается в секцию через коллектор специальным вентиля- тором и при необходимости подогревается в калориферах. Напор вентилятора обеспечивает продувку как холодным, так и подо- гретым воздухом при условии, что избыточное давление в бункере не превышает 600 н1м? (60 кгс/м?). В табл. IV.7 приводятся технические характеристики этих фильтров*. Привод фильтра, вентилятора продувки и шнека производится соответствующими электродвигателями мощностью 2,8 кет. Рукавные фильтры других типов. Известны и другие фильтры с механическим встряхиванием и обратной продувкой, различаю- щиеся конструктивным выполнением отдельных узлов в зависи- мости от назначения фильтра. Рукавный фильтр с пневматическим уп- равлением операциями встряхивания и продувки ткани ** предназначен для очисткр: газов на заводах цветной металлургии. По устройству этот фильтр аналогичен фильтру РФГ, но вместо рычажно-кулачкового механизма с электроприводом в нем исполь- зованы пневмоприводы. К каждому штырю, на котором висит рама подвеса рукавов, прикреплен шток пневматического встряхиваю- щего устройства. Пневматический сервомотор управляет переклю- чающими клапанами каждой секции фильтра; сжатый воздух к пневматическим устройствам встряхивания и переключения клапанов подается по магистрали с отводами к каждой секции. На каждом отводе установлен электромагнитный клапан, управ- ляющий подачей сжатого воздуха. В свою очередь управление элек- тромагнитными клапанами осуществляется от командоаппарата, который работает по заданному графику. Система пневматического управления регенерацией фильтра проще, чем система управления рычажно-кулачковым механиз- мом и электроприводом; кроме того, она более надежна. Рукавные фильтры всасывающие марки ФВК*** Эти фильтры предназначены для очистки нейтральных запыленных газов (воздуха) от сухой пыли при температуре до 80° С. Регенерация рукавов производится посекционно механизмом * Фильтры РФГ-УМС выпускаются Куйбышевским заводом «Стромма- шина». ** Разработан Гипроцветметом. *** Изготовитель — Киевский машиностроительный завод им. Калинина. 14* 211
Технические характеристики рукавных фильтров типа РФГ-УМС периодического встряхивания и обратной продувкой атмосферным воздухом, засасываемым вследствие разрешения в бункере сек- ции. Механизм управления встряхиванием и обратной' продувкой рычажно-кулачкового типа приводится в движение от электродви- гателя через редуктор. Подсос воздуха через неплотности с учетом продувки достигает 30% расхода очищаемых газов. Разрежение в бункере должно быть не менее 300 н/м2 (ЗС кгс/м2). Рукавные фильтры всасывающие марки ФРМ*. Фильтры этой марки предназначены для очистки воздуха с большим начальным содержанием пыли и применяются на пред- приятиях текстильной и льно-пенькоджутовой промышленности. Регенерация рукавов производится посекционно механизмом встряхивания и обратной продувкой атмосферным воздухом. Подсос воздуха через неплотности с учетом продувки дости- гает И—18% от расхода очищаемого воздуха. Разрежение в бун- кере должно быть 600—1000 н/м2 (60—100 кгс/м2). Рукавные высоковакуумные фильтры марки ФВВ**. Фильтры предназначены для очистки от пыли воздуха пневмотрэкспортных установок глубокого вакуума (раз- режение до 20 кн/м2 (2000 кгс/м2) на предприятиях по переработке зерна. Регенерация рукавов производится посекционно механизмом встряхивания и обратной продувкой атмосферным воздухом, засасываемым вследствие разрежения в бункере. Рукавные фильтры напорные ФТНС***. Такие фильтры применяются на льно-пеньковых заводах, а также на хлопча гобумажных, льняных и шерстяных фабриках при очистке воздуха от сухой волокнистой пылч. Фильтры изготавливаются закрытыми (с корпусами в виде съемных щитов) или открытыми (без корпусов). Рукава регенерируются с помощью ручного встряхивающего механизма. В табл. IV.8 приведены технические характеристики рукав- ных фильтров. Укрупненный рукавный фильтр УРФМ**** (рис. IV.41). Фильтр состоит из 2С секций с общей площадью фильтрации 2300 м2, в каждой секции находится 42 рукава диа- метром 220 мм и длиной 402С мм. В отличие от РФГ фильтр обо- рудован устройствами пневматического встряхивания рукавов и пневматического управления клапанами. Программа продувки и встряхивания задается командоаппаратом, управляющим элек- * Изготовитель — Киевский машиностроительный завод им. Калинина. ** Изготовитель — Шебекинский машиностроительный завод. *** Изготовитель — литейно-механический завод «Выдвиженец». **** Конструкция Гипропветмета. 213 212
Тромагнитными клапанами, через которые сжатый воздух посту- пает в пневмоцилиндры. Характерной особенностью фильтра являются переменная длительность рабочего цикла секций фильтра. Рис. IV.41. Рукавный фильтр УРФМ: 1 — корпус; 2 — площадка для обслуживания рукавов; 3 — распределительная решетка; 4 — бункер; 5 — шлюзовый затвор; 6 — общий бункер фильтра; 7 — шнек; 8 — коллек- тор чистого газа; 9 — пневмоцилиндр для управления клапаном //; 10 — шток пневмо- цилиндра встряхивания; 11 — клапан; 12 — рама подвеса рукавов; 13 — рукав; 14 — шлюзовый затвор; 15 — клапан продувочного воздуха; 16 — коллектор продувочного воздуха; 17 — пневмоцилиндр управления продувочным клапаном. устанавливаемая автоматически либо с помощью аппарата, либо прибора, измеряющего в каждой секции количество очищаемых газов (по заданному минимуму производительности фильтра). Рукавный фильтр с рукавами из эластичной стеклоткани, предназначенный для работы 214
ТАБЛИЦА IV.8 Технические показатели рукавных фильтров Фильтры Поверхность фильтрации м2 Число элементов Диаметр рукава, мм Длина рукава, мм Масса фильтра, кг Мощность двигателя привода, к etn общая рабо- чая секций рука- вов в секции рука- вов в фильт- ре меха- низма встря- хива- ния шнека ФВК-30 30 15 2 18 36 135 2060 1 053 0,6 0,6 фвк-бо 60 45 4 18 72 135 2060 1 382 0,6 0,6 ФВК-90 90 75 6 18 108 .35 2060 2 ЗОС 0,6 0,6 ФРМ1-6 126 105 6 10 60 135 2060 5 776 1,7 1,0 ФРМ1-8 168 147 8 10 89 135 2060 7 137 1,7 1,0 ФРМ1-9 210 189 10 10 100 135 2060 8 633 1,7 1,0 ФВВ-^5 45 30 3 18 54 135 2090 1 735 0,6 — ФВВ-60 60 45 4 18 72 135 2090 2 135 0,6 — Ф ВВ-90 90 75 6 18 108 135 2090 2 935 0,6 — ФТНС-4 12 12 1 4 4 385 2500 49 500 — — ФТНС-8 24 24 2 4 8 385 2500 990 — — ФТНС-12 36 36 3 4 12 385 250С 1 485 — — при температуре 200—250° С. В фильтрах с рукавами из эластичной стеклянной ткани в основном улавливается высо- кодисперсная пыль, например сажа в технологических линиях сажевых произвсдс'гв. Э^и фильтры ФР-2800 (шестисекционные) и ФР-3730 (восьмисекционные) различаются только площадью фильтрации и рассчитаны на работу под избыточным давлением. В качестве фильтрующего материала применяется стеклянная ткань. Фильтр ФР (рис. IV.42) представляет собой стальной корпус, разделенный соответственно на шесть или восемь секций, уста- навливаемый на опорный каркас. Каждая секция представляет собой стальную прямоугольную камеру, нижняя часть которой выполнена в виде бункера для сбора уловленной пыли и распределения запыленного газового потока по рукавам. Коллектор неочищенных газов присоединяется к бункерным частям секций, коллекторы очищенных и продувочных газов соеди- няются с верхними частями каждой секции фильтра. На каждом ответвлении от этих коллекторов к секции фильтра установлены дроссельные клапаны с пневматическими приводами, ксторые управляются автоматически. Нижние открытые концы фильтрующих рукавов крепятся к чугунной решетке 7. Верхние глухие концы рукавов закреплены в металлических тарелках, которые с помощью крючков подвешены к рамам подвеса механизма встряхивания рукавов. 215
Кривошипно-шатунный механизм встряхивания рукавов уста- новлен на боковой стенке фильтра и приводится в действие от электропривода. С его помощью осуществляется периодическое колебательное движение рамы подвеса в горизонтальной плоскости с амплитудой 12 мм\ колебания рамы передаются рукавам, которые совершают 300 колебаний в течение 1 минуты Для защиты от деформаций при внезапных повышениях давления корпус фильтра Рис. IV.42. Рукавный фильтр ФР с рукавами из стеклянной ткани: / — корпус; 2 — взрывные клапаны; 3 — продувочный вентилятор; 4 — коллектор; 5 — рукава; 6 — люк; 7 — чугунная решетка. снабжен предохранительными клапанами (два клапана в каждой секции). В корпусе фильтра имеются люки для доступа внутрь секций. Наружная поверхность корпуса фильтра покрывается тепло- изоляцией. Для удобства обслуживания фильтра предусмотрены площадки, переходы, лестницы. В каждой секции размещается две группы рукавов по 192 ру- кава в каждой; между группами рукавов имеется проход. При работе фильтра в одной из секций проводится регенера- ция, а в остальных — улавливание пыли. Запыленный газовый поток поступает на очистку через кол- лектор неочищенных газов в бункерные части секций. Под дей- ствием инерционных сил некоторое количество пыли, содержа- щейся в газах, оседает в бункерах, а остальная пыль вместе с га- зами через отверстия в чугунной решетке, в которых закреплены нижние части рукавов, поступает внутрь фильтрующих рукавов. 216
Пыль задерживается на внутренней поверхности рукавов, а очи- щенные газы проходят через ткань в пространство между рука- вами (камеру чистых газов), откуда через коллектор очищенных газов удаляются из фильтра. Регенерация рукавов производится механическим встряхива- нием и обратной продувкой. Продувочный вентилятор 3 (ВОД 9/300) забирает часть газов из коллектора очищенных газов и на- гнетает их через коллектор продувочных газов в секцию фильтра, которая в это время находится на регенерации. Поскольку давле- ние, создаваемое вентилятором обратной продувки, значительно выше рабочего давления очищаемых газов, в регенерируемой секции меняется направление движения газов. Продувочные газы, поступающие из коллектора продувочных газов в пространство между рукавами, проходят через ткань рукавов внутрь, сминают рукава; при этом разрушается и сдувается слой пыли, образовав- шийся на внутренней поверхности рукавов. Разрушению и уда- лению пыли с поверхности рукавов способствует также работаю- щий механизм встряхивания. Пыль с поверхности рукавов оседает в бункер секции, откуда через шлюзовой затвор удаляется в систему пылеудаления, а продувочные газы поступают в коллектор неочищенных газов и распределяются по рабочим секциям. На время регенерации секции закрывается дроссельный кла- пан на участке газопровода, соединяющем данную секцию с коллек- тором очищенных газов, и открывается дроссельный клапан на участке газопровода, соединяющем ее с коллектором продувочных газов. Переключение дроссельных клапанов и включение меха- низма встряхивания осуществляется автоматически по заданной программе. Ниже приводятся технические характеристики фильтров ФР: ФР-2800 ФР-3730 Поверхность фильтрации, м2: общая 2800 3730 рабочая 2335 3265 Число секций 6 8 Число рукавов: в секции 384 384 » фильтре . . . 2304 3072 Диаметр рукава, мм . 127 127 Длина рукава, мм 3000 3000 Рабочая фильтрующая площадь рукава, м2 1,24 1,24 Допустимая температура очищаемых га- зов, °C 250 250 Мощность электродвигателя, кет: механизма встряхивания . . . 1,0 1,0 вентилятора продувки 28 28 Габариты фильтра, м: длина . .... 22,25 29,81 ширина 7,36 7,36 высота . . . 10,23 10,23 Масса фильтра, кг . . ... 111 037 151 037 217
Рукавный фильтр срукавамй из нитрона для улавливания сажи в процессе мокрой грануляции- Рукавный фильтр типа МФВ-204 предназначен для улавливания сажи в процессе мокрой грануляции и рассчи- тан на работу под разрежением. Фильтр представляет собой стальную сварную камеру, раз- деленную перегородками на 12 секций. В каждой секции разме- щается по 17 рукавов из синтетической ткани нитрон. Вдоль кор- пуса фильтра со стороны ввода очищаемых газов расположен коллектор неочищенных газов, выполненный в виде узкой прямо- угольной камеры, снабженной дроссельными клапанами. В верх- ней части над крышкой фильтра расположен коллектор очищенных газов, соединенный патрубками с секциями фильтра. Нижняя часть бункера снабжена затвором-мигалкой для выгрузки сажи в шнек. Регенерация рукавов проводится методом обратной продувки подогретым воздухом из газопровода продувочных газов, распо- ложенного в верхней части фильтра рядом с коллектором очищен- ных газов. В патрубках, соединяющих коллекторы с секциями, установлены дроссельные клапаны для включения и отключения газов. Необходимое давление в коллекторе продувочных газов под- держивается вентилятором. При работе фильтра загрязненные газы поступают в бункерные части секций, откуда проходят через нижние открытые концы рукавов во внутреннюю их часть и фильтруются через ткань. Пыль осаждается на внутренней поверхности рукавов, а очищенные газы, пройдя сквозь ткань, собираются в коллекторе очищенных газов, откуда отсасываются дымососом, создающим в фильтре разрежение. Регенерация рукавов производится посекционно. Во время продувки секции под давлением продувочного воздуха дроссель- ный клапан, расположенный в боковой части камеры, закры- вается, затвор-мигалка открывается и находящаяся в бункере сажа ссыпается в шнек. Для предотвращения выделения сажи из шнека в помещение в верхние крышки шнека вставлены кассеты с фильтрующей тканью. Продувочный воздух из шнека отсасы- вается в аспирационную систему. Стенки бункера обогреваются змеевиками с паром для преду- преждения конденсации паров воды из газов. Ниже приводятся технические характеристики фильтра МФВ-204: Поверхность фильтрации, м2: общая ... 383 рабочая.............................. 352 Число секций............................ 12 Число рукавов: в секции . . 17 » фильтре.......................... 204 218
Диаметр рукавов, мм . . . 220 Длина рукавов, мм.................... 3000 Рабочая фильтрующая поверхность рукава, м? ...... 2,1 Допустимая температура очищаемых газов, °C .......................... 150 Допускаемое разрежение, н/м2 . 2000 (200 мм вод. ст.) Габариты фильтра, м: длина........................... . 9,0 ширина ... 2,1 высота . 7,1 Цилиндрические рукавные фильтр ы71~73. В системах пневмотранспорта для выделения из воздуха порошко- образных и пылевидных продуктов в различных отраслях промыш- ленности используются цилиндрические всасывающие рукавные фильтры* (рис. IV.43). Эти фильтры рассчитаны на давление 9,8 кн1м? (1000 мм вод. ст.) и работают по принципу многосек- ционных рукавных фильтров, регенерируемых встряхиванием с од- новременной обратной продувкой. Корпус фильтра разделен на шесть секций, в каждой из которых находится по три рукава; расход воздуха на каждую секцию минимальный и фильтрация проходит при почти стабильных величинах сопротивления и про- изводительности; номинальная производительность фильтра 1,4 мЧсек. (5000 мЧч). Особенностью фильтра являются цилиндрические клапаны 4 золотникового типа и соленоидный механизм встряхивания рука- вов с вертикальным перемещением вдоль оси, а также механизм открывания и закрывания продувочных клапанов, обеспечиваю- щий повышенную герметичность и минимальный подсос воздуха. Запыленный воздух через центральную перфорированную трубу поступает на наружную сторону рукавов; при регенерации продувка протекает «толчками» с одновременным встряхиванием рукавов. Недостатком фильтра является то, что с течением времени на дне рукавов накапливается пыль, что ограничивает их исполь- зование для легко воспламеняющихся пылей. Малогабаритные тканевые фильтры. Малогабаритные ткане- вые фильтры производительностью от 0,03 до 0,55 мЧсек (100 до 2000 мЧч) предназначены для очистки воздуха от пыли непос- редственно у источников ее образования и для выделения из га- зов ценных пылевидных продуктов. Фильтры, используемые для очистки воздуха от пыли, оборудованы отдельными вентиляторами и называются индивидуальными обеспыливающими агрегатами. Часто экономически целесообразно применять такие фильтры вместо централизованных установок, так как отпадает необходи- * Разработаны Прбмзернопроектом. -2Ф9
мость в длинных газоходах, упрощается сооружение и обслужи- вание; кроме того, в этом случае установки легче приспособить для очистки от различных пылей. Большинство индивидуальных агрегатов для обеспыливания возвращают воздух в цех после очистки его от пылей, образую- щихся при работе металлообраба- тывающих станков, а также на различных пылящих операциях, если концентрация пыли не более 300 мг[мл. Регенерация фильтра проводится один раз в 3—4 ч, а иногда и В качестве фильтрующей среды используются тонкие плотные ткани, гладкие или ворсистые. Газы один раз в неделю. “ «*-п Загрязненный. __U Воздух Очищенный. Воздух Рис. IV.44. Схема индивидуального вентиляционного агрегата ЗИЛ-900: Рис. IV.43. Цилиндрический рукав- ный фильтр: 1 — секция из трех рукавов; 2 — бун- кер; 3 — рукав; 4 — клапан; 5 — подъ- емный тарельчатый клапан продувочного воздуха; 6 — электромагнитный привод подъема клапана. / — бункер; 2 — циклонная часть; 3 — ру- кава; 4 — корпус; 5 — встряхивающий ры- чаг; 6 — вентилятор; 7 — электродвигатель; 8 — верхние крышки рукавов. 220
Примерами индивидуальных вентиляционных агрегатов могут служить агрегаты типа ЗИЛ-900 и марки Н-801-57. Производи- тельность первого аппарата 0,25 м?1сек. (920 м31ч)-, он оборудован циклоном (находящимся в нижней части) и семью рукавами, кото- рые встряхиваются через каждые 30 мин работы (рис. IV.44). Фильтр используется для улавливания сухой пыли с концентра- цией не более 400 мг!м3, отсасываемой от заточных, шлифовальных Рис. IV.45. Напорный фильтр с бескар- касными плоскими элементами, регене- рируемый вибрацией: / — двигатель вибратора; 2 — защитная крышка; 3 — амортизатор подвески; 4 — фик- сатор установки элемента; 5 — фильтрующий элемент из тонкой плотной ткани; 6—стенка съемная, Рис. IV.46. Каркасный фильтр с вращающимся устройством для регенерации: / — двигатель -для перемещения продувочного устройства; 2 — вы- ходной патрубок; 3 — датчик пере- пада давления; 4 — продувочный вентилятор высокого давления; 5 — устройство для подачи импульсов и обратной продувки; 6 — входной патрубок; 7 — фильтрующий эле- мент. и обдирочных станков. Агрегат марки Н-801-57 предназначен для улавливания пыли из воздуха, отходящего от рабочих органов обувных машин. Производительность его 0,23 м31сек (850 ж3/ч) при сопротивлении 1,25 кн!м2 (125 мм вод. ст.), площадь филь- трации 19 рукавов составляет 3 м2. В системах пневмотранспорта над разгрузочными бункерами и силосами устанавливаются бескаркасные напорные фильтры, регенерируемые вибрацией (рис. IV.45). Для обеспыливания технологических газов с повышенной тем- пературой74, например для выделения из газов форсуночных ап- паратов надперекисей калия и натрия, применяется малогабарит- 221
ный стеклотканевый каркасный фильтр ФС-13. В нем рационально используется объем корпуса, так как ткань площадью 13 ж2 раз- вернута в виде шестнадцатилучевой «звездочки» диаметром 700 мм. Регенерация ткани осуществляется периодически вибрацией. Вибратор типа С-485 установлен на пружинных опорах и связан тягой с фильтрующим элементом. В центре верхней крышки фильтрующего элемента имеется отверстие для выхода очищенного газа из внутренней части элемента через сильфон в камеру чи- стого газа. Цилиндрический каркасный фильтр, показанный на рис. IV.46, регенерируется сжатым воздухом, который подается импульсами продолжительностью менее 0,1 сек, вызывающими слабую ударную волну, при одновременной продувке воздухом низкого давления. Последовательная продувка и подача импульсов в каждый эле- мент осуществляются с помощью вращающегося устройства55. В качестве фильтрующей поверхности используется синтети- ческий фетр из волокна ноумекс. Фильтр может работать при 218° С и скорости фильтрации 6 м!мин. При очистке промышлен- ной пыли с частицами размером 2гмв = 5 мкм эффективность очистки в этом фильтре составила 99,99999%. СТОИМОСТЬ ОБЕСПЫЛИВАНИЯ ГАЗОВ В ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРАХ Стоимость очистки газов в различных тканевых фильтрах за- висит от характеристики очищаемых газов, размеров установки, материалов конструкций, качества обслуживания и других фак- торов. В литературе приводятся данные только об относительной стоимости очистки в различных пылеуловителях75. Обычно тканевые фильтры, электрофильтры и высокоскорост- ные скрубберы Вентури относятся к высокоэффективным пыле- уловителям, однако стоимость очистки газов в тканевых фильтрах несколько выше, чем в сухих электрофильтрах, но ниже, чем в скрубберах Вентури. Это подтверждают данные Стейерменда76, который привел графическую зависимость (рис. IV.47) стоимости очистки от эффективности улавливания пыли, содержащей 30 вес. % частиц менее 10 мкм. При расчете стоимости очистки учитывались затраты на капи- тальное оборудование, включая вспомогательное (вентиляторы, насосы, двигатели и т. д.), текущие расходы (электроэнергия, вода), расходы на обслуживание и ремонт (включая расходы на замену рукавов) и амортизационные издержки. Оценка проводи- лась исходя из производительности установок 29,4 м?!сек (100 000 мя1ч) при непрерывной работе в течение 8000 ч в год. Сплошная линия на графике соответствует средней величине стоимости очистки. Точки, лежащие ниже этой кривой^ соответ- 222
ствуют наиболее экономичным аппаратам, а точки, Лежащие выше ее, относятся к менее экономичным пылеуловителям. Из рисунка видно, что для улавливания пылей в сухом виде тканевые фильтры имеют особое значение вследствие относительно высокой их эффективности и сравнительно небольшой стоимости очистки. Приведенные соотношения стоимостей очистки в различных пылеуловителях подтверждаются расчетами других исследова- телей77, а также табл. IV.9. Рис. IV.47. Относительная стоимость обеспыливания газов в зависимости от эффективности работы пылеуловителей: / — инерционные пылеуловители; 2 — цикло- ны средней эффективности; 3 — прямоточные циклоны; 4 — циклоны высокой эффективно- сти; 5 — батарейные циклоны; 6 — электро- фильтры; 7 — рукавные фильтры _со встряхи- ванием и обратной продувкой; 8 — низкоско- ростные рукавные фильтры, регенерируемые горизонтальными колебаниями; 9 — фильтры с обратной струйной продувкой; 10 — струй- ные скрубберы; 11 — орошаемые циклоны; 12 — мокрые рото клоны; 13 — полые оро- шаемые скрубберы; 14 — скрубберы с пла- вающей шаровой насадкой; 15 —барботажно- ударные скрубберы; 16 — дезинтеграторы; 17 — мокрые электрофильтры; 18 — круглые скрубберы Вентури с низким сопротивлением; 19 — щелевые скрубберы Вентури среднего сопротивления; 20 — круглые скрубберы Вентури среднего сопротивления; 21 — скрубберы Вентури с высоким сопротивлением. (1—9 — сухие пылеуловители; 10—21 — мокрые пылеуловители.) График рис. IV.47 и табл. IV.9 могут быть полезны при выборе схем и аппаратов для улавливания пылей. Пылеуловители можно сравнивать по экономическим показа- телям только в том случае, если они в равной мере удовлетворяют основным требованиям. Однако это бывает не часто, и тканевые фильтры обычно конкурируют с электрофильтрами или высоко- энергетическими скрубберами Вентури, применяемыми, например, в металлургической, цементной и химической промышленностях. Окончательное суждение о преимуществах того или иного аппарата или установки выявляется после длительных опытно-промышлен- ных сравнительных испытаний. ВЫБОР ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ При выборе типа тканевого фильтра учитываются следующие факторы. Характеристика очищаемых газов на входе в фильтр: объемный расход очищаемых газов в ра- бочих и нормальных условиях, состав газов и их взрывоопасность, температура и давление, допустимость подсоса, содержание влаги, 223
Сравнительные характеристики различных пылеуловителей температура точки росы с указанием предельных колебаний пере- численных величин. Свойства пыли: тип пыли (по механизму образования), распределение частиц по размерам, весовая концентрация, содер- жание токсичных веществ, химический состав пыли, гигроскопич- ность и растворимость в воде, склонность к слипанию, взрывае- мость и горючесть, плотность и насыпная плотность, электрические свойства, абразивность, предельно допустимые концентрации. Характеристика источника выделения пыли: технологические сведения о процессе и применяемом оборудовании, периодичность или непрерывность процесса, места отсоса запыленных газов. Характеристика и требования к уловлен- ной п ы л и: ее ценность, возможность регенерации и возвра- щения ее в производство, возможность использования в других отраслях промышленности, способ выгрузки, транспортировки и упаковки. Основные требования к фильтрам: допус- каемое сопротивление фильтра, задаваемая величина выходной концентрации, размер установки, требуемая площадь, место рас- положения, необходимое вспомогательное оборудование для кон- диционирования очищаемых газов перед фильтрами, место установки вентилятора и требования к нему, климатические условия, в ко- торых происходит эксплуатация фильтра, потребность в воде, паре и сжатом воздухе и их параметры, наличие контрольно-из- мерительных приборов, средств автоматики и сигнализации, вы- полнение санитарных норм при обслуживании установки, ее ре- монте и демонтаже, состояние площадки для обслуживания, воз- можность проведения технологического процесса при аварийной остановке фильтра, меры по технике безопасности, капитальные и эксплуатационные затраты. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ Одним из условий нормальной работы тканевых фильтров является поддержание необходимой температуры очищаемых газов на входе в фильтр и внутри него. При температурах более высоких, чем указано в табл. IV.2, резко сокращается срок службы тканей, а при температурах ниже точки росы возможна конденса- ция водяных паров, сопровождаемая образованием неудаляемых осадков или полной потерей газопроницаемости ткани и усилением коррозии. Как указывалось ранее, температура газов на выходе из аппа- рата должна быть на 15—30° С выше температуры точки росы. При работе фильтров под разрежением необходимо принять меры для снижения подсоса в корпус атмосферного воздуха, а сам кор- 15 в. н. ужов 225 224
пус покрыть теплоизоляцией, а в некоторых случаях обогреть его. Фильтры целесообразно устанавливать в теплых зонах по- мещения. Если в фильтр требуется подать дополнительное количество тепла и сделать это путем повышения температуры газов в ап- парате нельзя, то бывает целесообразно в запыленный газ подавать дополнительно воздух, подогретый с помощью электро- нагревателей, паровых теплообменников или путем непосредствен- ного сжигания в этом воздухе газа. Установка внутри корпуса электрических или паровых нагревателей нецелесообразна вслед- ствие опасности утечки пара и запыления поверхностей нагрева- телей. Часто обратная продувка тканей для их регенерации прово- дится подогретым воздухом. Бункера также приходится подо- гревать для предотвращения слипания пыли, что особенно важно при остановках фильтра, когда пыль полностью выпускают из бункеров. Запыленные газы иногда требуется охлаждать до температуры, допустимой для используемой ткани. Существует несколько спо- собов охлаждения: 1) смешение газов с атмосферным холодным воздухом; при этом способе увеличиваются габариты установки и расход энергии, но достигается тонкая регулировка температуры. Этот способ наиболее дорогой, поэтому он применяется в сочетании с другими на завершающей ступени охлаждения газов от 150° С до 130— 100° С. Температуру газов после смешения с воздухом tCM ориен- тировочно можно определить по уравнению где Vr и Ув — расходы горячих газов и охлаждающего воздуха соответственно, м?!сек (н. у.); tv и tB — температура горячих газов и воздуха соответст- венно, ° С. При температуре газов ниже 700° С охлаждение их атмосфер- ным воздухом производится в трубчатых охладителях; при более высокой температуре — в каминах периодического действия. В трубчатых теплообменниках (кулерах) горячие газы движутся по трубам диаметром 400—1200 мм и высотой до 20 м (рис. IV. 48); трубы периодически очищают от осевшей на их внутренних стен- ках пыли. Известны конструкции кулеров, в которых трубы зак- лючены в кожух и используется принудительная продувка. Ско- рость газов в трубах составляет 5—20 м/сек. Основной недостаток кулеров — их громоздкость и возможность быстрого выхода из строя при воздействии агрессивных газов. Количество тепла, 226
отводимого через поверхность труб Ф (в вт), рассчитывают по уравнениям: & = KFktcp (IV.12) Ф = СУ(^—Q (IV. 13) где К—коэффициент теплопередачи, вт/(м2 град)- F — поверхность труб, м2; Д/ср — средняя температура газов и воздуха,0 С; С—объемная удельная теплоемкость газов, дж/(м3 град); V — объемный расход газов, м?/сек (н. у.); t± — начальная температура газов, ° С; /3 — конечная температура газов, ° С. а-а б-е Рис. IV.48. Схема поверхностного теплообменника; / — трубы; 2—бункер для пыли; 3— дроссельные клапаны для прямого хода газов, используемые для регулирования температуры охлаждаемых газов. Величину Д/ср определяют по уравнению д/ ________________________ti — h______ ср 2,31g (^-4)/^-4) где tB — температура наружного воздуха, ° С. При (Z1 — /в)/(/2 — Q<2 Д/ _ *1+ _ t “гср — 2---- (IV.14) 15* 227
Коэффициент теплопередачи при естественной циркуляции воздуха составляет 3,5—11,6 вт/(м2-град). При охлаждении газов в котлах-утилизаторах тепло исполь- зуется для производства пара, однако конструкции таких котлов весьма сложны, так как обычно предусматриваются устройства для очистки труб от осевшей пыли с целью предотвращения зара- стания их и снижения интенсивности теплообмена. Охлаждение газов возможно также в результате полного ис- парения воды, тонко распыленной форсунками в полых скруббе- рах. Таким способом снижается температура газов от 250—400° С до 130—250° С при условии, что газы не содержат кислот, повы- шающих точку росы, и обеспечивается надежная теплоизоляция фильтра. Но даже при применении форсунок высокого давления (> 30 ат) добиться полного испарения воды и сохранения стенок скрубберов сухими часто не удается. Поэтому охлаждение чаще всего проводится одновременно несколькими способами44. При очистке газов в условиях повышенной температуры зна- чительно упрощается система охлаждения, но увеличивается объем очищаемых газов. Поэтому независимо от термостойкости ткани всегда следует сравнивать капитальные затраты на охлаждение и очистку газов при более высокой температуре. Опытным путем установлено, что срок службы тканей зависит от качества монтажа и ухода за рукавами и механизмами регенера- ции. Особенно высокие требования предъявляются к установкам, работающим при высоких температурах, поэтому эксплуатацион- ные расходы для этих фильтров значительно выше, чем для фильт- ров, работающих при обычной температуре. На металлургических заводах существует опасность попада- ния на поверхность тканей раскаленных или расплавленных круп- ных частиц, способных вывести из строя стеклянную ткань, а это связано с необходимостью замены рукавов. Для осаждения круп- ных горячих частиц используют механические пылеуловители и встряхиваемые сетки. При высокой концентрации тонкодисперсных частиц перед фильтрацией их укрупняют в циклонах или в газоходах с диафраг- мами. При этом введение водяного пара£в поток газов иногда способствует агрегации. При концентрации пыли выше 20 г/м? целесообразно перед фильтрами устанавливать пылеосадительную камеру, циклоны или другие аппараты для улавливания грубой пыли. Для электри- ческой разрядки сильно заряженных аэрозолей, образующих на тканях трудно удаляемые слои, их увлажняют, облучают P-активными препаратами, подвергают обратной продувке ионизи- рованным воздухом. Но до сих пор эти методы еще не используются на практике. Надежность работы, эффективность очистки и эксплуатацион- ные затраты при использовании тканевых фильтров зависят от 228
назначения системы пылеулавливания и качества обслуживания. Как правило, фильтры, улавливающие ценный продукт или являю- щиеся неотъемлемой частью основного технологического оборудо- вания, работают наиболее эффективно. Мероприятия по уходу за фильтрами должны быть предусмотрены в виде специальной ин- струкции еще до монтажа с учетом особенностей технологического процесса. В инструкции излагается порядок обслуживания, ос- мотра и ремонта установки. В процессе эксплуатации фильтра контролируется эффективность улавливания и при ее снижении принимаются необходимые меры, устраняющие причины ухудше- ния работы фильтра. Для этого периодически отбираются пробы, а иногда устанавливаются оптические или другие приборы, об- наруживающие повышение выходной концентрации. Места уте- чек газа из чистой зоны обычно обнаруживаются при визуальном осмотре. Качество фильтрации в отдельных секциях, степень изношен- ности ткани, разрыв или срыв рукавов проверяются с помощью полированных палочек. Для этого палочки устанавливают в пат- рубках на газоходах чистого газа и выдерживают их в течение 2—5 мин; если на палочках отчетливо видна пыль, то необходимо произвести осмотр данной секции. При эксплуатации фильтров поврежденные рукава ремонти- руют на месте или удаляют их из фильтра и заменяют чистыми; одинаковые рукава сменяют комплектно. Снятые рукава очищают от пыли, которую выбивают на специальных устройствах, рукава тщательно просматривают, сортируют и ремонтируют. Стирать рукава рекомендуют не всегда, так как в результате стирки воз- можно снижение их воздухопроницаемости. При обслуживании установок следует периодически осматри- вать и смазывать движущиеся части механизмов регенерации, контролировать расход очищаемых газов и продувочного воздуха, не допускать накопления пыли в газоходах, на лопатках венти- ляторов, на трубной решетке в чистой зоне корпуса и в других местах; необходимо регулярно проверять контрольно-измеритель- ные приборы. Все перечисленные мероприятия проводятся по специальному графику. Удаление пыли. Для предотвращения подсоса воздуха пыль из бункеров фильтров, работающих под давлением и разрежением, удаляется с помощью герметичных устройств. Наиболее широко применяются шлюзовые затворы, шиберы, самоуплотняющиеся шнеки (рис. IV.49) и ленточные конвейеры. Пыль может сбрасы- ваться непосредственно в герметичную емкость (контейнер) или в репульпатор, из которого пульпа периодически откачивается в отстойник или в технологические емкости. Самоуплотняющийся шнек отличается высокой герметичностью даже при сопротивлении фильтра до 3000 н/м2 (300 мм вод. ст.)- Винт шнека располагается частично в бункере фильтра и частично 22Я
в собственном кожухе. Перед выгружным патрубком шнека, на винте которого снято несколько витков, устанавливается наклон- ная металлическая плоскость, способствующая образованию в этом месте пробки из пыли; пыль проталкивается шнеком в бо- ковую течку. Перед пуском в эксплуатацию шнеки заполняются Рис. IV.49. Уплотняющий шнек: / — бункер фильтра; 2 — часть шнека, удаляющая пыль из бункера; 3 — часть шнека, уплотняющая пыль. пылью для образования пробки. Транспортировка пыли, выгру- жаемой из тканевых фильтров, производится в герметизированных контейнерах или бумажных мешках, пневмотранспортом, гидро- транспортом, винтовыми транспортерами и другими приспособле- ниями, не допускающими вторичного пылеобразования. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ НА УСТАНОВКАХ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ Опасность, связанная с работой тканевых фильтров, заключается в возможности воспламенения горючдй пыли и отравления обслу- живающего персонала при обработке высокотоксичных или радио- активных веществ. В последнем случае должны быть приняты меры, предотвращающие вторичное пылеобразование и утечку газов из системы. Для улавливания горючих пылей (возгонов металлов, табачной, мучной, угольной пыли и т. д.) необходимо следующее: 1) использовать фильтры во взрывобезопасном исполнении; 2) устанавливать вентиляторы во взрывобезопасном исполне- нии и работать только под разрежением; 3) не допускать накопления пыли в газоходах, бункерах, в чистой зоне корпуса фильтра и других местах, а в местах веро- ятного скопления пыли предусматривать люки для прочистки; 4) устранять возможные источники образования искр и скоп- ления электростатических зарядов; 5) тщательно контролировать проведение сварочных работ при ремонте установок; 6) следить за тем, чтобы при фильтрации взрывоопасных паро- воздушных смесей концентрация взрывоопасных паров не пре- вышала 50% нижнего предела взрываемости78 и чтобы оборудова- 230
ние во избежание накопления больших зарядов статического электричества было тщательно заземлено; 7) при возникновении пожара на установке выключить венти- ляторы й принять меры для ликвидации пожара; вызвать пожар- ную команду, закрыть клапаны и с помощью огнетушителей пога- сить горящие рукава или горящую пыль, удаленные из фильтра (тушение пожара внутри фильтра запрещается); 8) тщательно выполнять инструкцию по технике безопасности при обращении с соответствующими токсичными продуктами. Взрыв пыли органических веществ возможен при следующих одновременно действующих условиях: а) концентрация пыли находится между нижним и верхним значениями взрывных концентраций; б) в зоне облака пыли имеется источник тепла, температура которого и мощность достаточны для воспламенения; в) количество кислорода в воздухе достаточно для поддержа- ния начавшегося горения. При очистке воздуха от взрывоопасной пыли, чувствительной к удару и трению, необходимо непрерывно удалять уловленную пыль за пределы фильтра. Газоходы должны быть заземлены, а для периодической очистки и промывки их в местах поворотов установлены люки. ЛИТЕРАТУРА 1. Skrebowski J. К., Sutton В. W., Brit. Chem. Eng., 6, 12 (1961). 2. М’а ндр и ко А. С., П е й с а х о в И. Л., Цветная металлургия, № 3, 70 (1968). 3. Kimura N., I i п о у а К., Kagaku Kogaku, Chem. Eng. Japan, 3, 193 (1965). 4. Елисеев H., Сборник материалов по пылеулавливанию в цветной ме- таллургии. Металлургиздат, 1957, стр. 251. 5. Р е t е г s о п С. М., W h i t b у К- Т., ASHRAE J., 10, № 5, 42 (1968). 6. Каторжное Н. Д., В о й т е л е в Ю. А., Распознавание химических и природных волокон, Изд. «Легкая индустрия», 1966. 7. Еремина К. И., Б о р у х с о н Б. В., Текстильные волокна. Их полу- чение и свойства. Изд. «Легкая индустрия», 1966. 8. Е w a’l d G. W., Air Engineering, № 9, 22 (1965). 9. Strauss W., Industrial Gas Cleaning, Pergamon Press, 1966. 10. Сави н а А. А., Труды ЛИОТ, 1968, стр. 169. 11. H e д и н . В. В., И e й к о в О. Д., Бошняков Е. Н., Сыч Н. А., Водоснабжение и санитарная техника, № 2, 17 (1967). 12. Chemical Processing for Operating Managment, № 10, 61 (1965). 13. Chem. Eng., 72, 209 (1965). 14. L o’n'g W., Проспект фирмы № 14896 (E. I. du Pont de Nemours and Co.). 15. Beth-Handbuch Staubtechnik, 1964. 16. S p a i t e P. W., Stephan D. G., R о s e A. H., J. Air Poll. Contr. Assoc., 11, 243 (1961). 17. Непрерывное стеклянное волокно, Изд. «Химия», 1965. 18. “М а г z о с с h i A., L а с h u t F., W i 11 i s W. H., J. Air Poll. Contr. Assoc., 12, 38 (1962). 19. Chem. Eng. Progr., 56, 126 (1960). 231
20. S p a i t e P. W., Harrington R. E., J. Air Poll. Contr. Assoc., 17, 310 (1967). 21. S p a i t e P. W., Hagan J. E., Todd W. E., Chem. Eng. Progr., 59, № 4, 54 (1963). 22. Б а н и т Ф. Г., Ч e с н о к о в Б. Ф., Научные сообщения НИИцемент, № 19 (50), 22 (1965). 23. К у р к и н В. П., Текст, пром., № 4, 39 (1968). 24. Тимофеев Н. С., 3 а й ц е в М. М., Теплицкий В. И., Вальд- б е р г А. 10., Каучук и резина, № 6, 34 (1963). 25. Chem. Eng., 72, № 22, 104 (1965). 26. Chem. Eng., 73, № 1, 32 (1966). 27. Rodmann C. A., Staricenka I. A., Meeh. Eng., 85, № 2, 54 (1963). 28. Новое в производстве химических волокон, пер. с англ., Изд. «Мир», 1968. 29. Me р тв ищев Ю. И., Использование искусственных волокон в валяльно- войлочной промышленности, Ростехиздат, 1963. 30. Л а п е н к о В. Г., М я г к о в Б. И., Севастьянова А. Г., Труды ЦНИИшерсти, 1970. 31. Феофанова Т. В., Круковский М. Г., Валяльно-войлочное производство, Сборник ЦНИИТИлегпром, № 2, 1967. 32. Kuncewicz L., Staub, 23, 304 (1963). 33. М а н д р и к о А. С., П е й с а х о в И. Л., Научные труды Гиредмета, 21, 97 (1967). 34. S t е р h a n D. G., Walsh G. W., Herrick R. A., Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 21, 1 (1960). 35. S t e p h a n D. G., Walsh G. W., Ind. a. Eng. Chem., 52, 999 (1960). 36. R о b i n s о n J. W., Harrington R. E., Spaite P. W., Atmosph. Envir., 1, 499 (1967). 37. W i 1 1 i a m s С. E., H a tch T., G r e e n b u r g L., Heating, Piping a. Air Condit., 12, 259 (1940). 38. Зайцев M. M., Макаров А. И., Труды НИИцемента вып. 3, Госстрой- издат, 1956, стр. 50. 39. S п у d е г С. А., Р г i п g R. Т., Ind. a. Eng. Chem., 47, 96 (1955). 40. Г о р д о н Г. М., Аладжалов И. А., Газоочистка рукавными филь- трами в цветной металлургии, Металлургиздат, 1956. 41. Borgwardt R. Н., Harrington R. Е., Spaite Р. W., J. Air Poll. Contr. Assoc., 18, 387 (1968). 42. S о 1 b a c h W„ Staub, 29, 24 (1969). 43. S p a i t e P. W., Walsh G. W., Am. Ind. Hyg. Assoc., 24, 357 (1963). 44. M fi h 1 a r d W„ Staub, 23, 535 (1963). 45. F r e d e r i c k E. R., Chem. Eng., 68, № 6, 107 (1961). 46. Плотинский И. III., Словиковский А. А., в сб. «Пылеулавли- вание и очистка газов в цветной металлургии», № 24, Изд. «Металлургия», 1966, стр. 77. 47. С u 1 h a n е F. R., Chem. Eng. Progr., 64, № 1, 65 (1968). 48. М и х а й л о в Н. В., П е й с а х о в И. Л., Научные труда Гиредмета, 21, 67 (1967). 49. К у ч е р у к В. В., Очистка от пыли вентиляционных и промышленных выбросов, Госстройиздат, 1955. 50. L fl h г Н., Keramische Zeitschrilt, 18, 436 (1966). 51. Dennis R., Johnson G. A., First M. W., Silvermann L., Chem. Eng., 59, 196 (1952). 52. Walsh G. W„ S p a i t e P. W., J. Air Poll. Contr. Assoc., 12, 57 (1962). 53. Brit. Chem. Eng., 12, 1295 (1967). 54. Dennis R., Silvermann L., ASHRAE J., 4, № 3, 43 (1962). 55. С a p 1 a n K- J., Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 28, 567 (1967). 56. Eng. Boiler House Review. 76, № 77, 383 (1961). 57. Англ. пат. 886614 (1960). 58. H e r s e у H. I., Heating and Ventilating, 51, 109 (1954). 232
59. С a р 1 a n К. J., Chem. Eng. Progr., 50, 409 (1954). 60. Петр ов Б. В., Г у д и н Б. С., в сб. «Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии», Металлургиздат, 1963, стр. 99. 61. Н а г г i s W. В., Mason М. G., Ind. Eng. Chem., 47, 2423 (1955). 62. First M. W., Silvermann L., J. Air Poll. Contr. Assoc., 13, 581 (1963). 63. Si 1 verm a n L., D avi dson R. A., J. Metalls (AIME Trans.), 7, 1327 (1955). 64. Dennis R., Johnson G. A., First M. W., Silverman L., Chem. Eng., 59, 196 (1952). 65. Харрингтон Ч., P ю э л e А., Технология производства урана, пер. с англ., Госатомиздат, 1961. 66. Humphrey G., Staub, 26, 431 (1966). 67. S i 1 v е г m а п L., АМА Arch. Ind. Health, 19, 172 (1959). 68. S q u i r e s B. J., Chem. a. Proc. Eng., 43, 156 (1962). 69. S t e v e n s С. H., Air Engineering, № 10, 30 (1967). 70. П e т p о в В. А., Сидяков П. В., Обеспыливание технологических газов цементного производства, Стройиздат, 1965. 71. Kohn Н., Tonindustrie Zeitung und Keramische Rundschau, 89, 97 (1965). 72. К у ч e p у к В. В., Новые методы очистки воздуха и газа, № 24—63—743/4, ГОСИНТИ, Москва, 1963. 73. К у ч е р у к В. В., Очистка вентиляционного воздуха от пыли, Машгиз, 1963. 74. Абросимов Ю. В., Чичерин Ю. И., Беспалова Л. Т., Вести, техн, и экон, информ. НИИТЭхим, вып. 2, 1963. 75. У ж о в В. Н., Борьба с пылью в промышленности, Изд. «Химия», 1964. 76. S t a i г m a n d С. J., Chem. Eng. (London), 194, 310 (1965). 77. Kane J. M., Heating, Piping a. Air Condit., 65, № 1, 188 (1968). 78. Временные правила техники безопасности и промсанитарии для взрыве- и огнеопасных химических производств, Изд. «Недра», 1964.
ГЛАВА V ПРИМЕНЕНИЕ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЕ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ На большинстве предприятий химической промышлен- ности отходящие технологические газы и вентиляционный воздух уносят ценные, а зачастую токсичные твердые и жидкие вещества, улавливание которых необходимо по санитарно-гигиеническим соображениям и экономи- чески целесообразно. При интенсификации процессов в большинстве случаев унос пыли увеличивается (например, при обжиге, терми- ческом разложении или сушке материалов в псевдоожи- женном слое, в циклонных и вихревых аппаратах и т. д.)_ Поэтому без правильно организованной и надежно рабо- тающей системы пылеулавливания такие процессы невоз- можно проводить. Основная масса химической продукции перерабаты- вается и выпускается в жидком состоянии, а удаляемая пыль часто весьма гигроскопична (солевые аэрозоли) и содержит газообразные токсичные примеси, поэтому на химических предприятиях наиболее широко исполь- зуются мокрые методы очистки. Продукция химической промышленности весьма раз- нообразна и в такой же мере разнообразны и выбросы при проведении технологических процессов. Ниже рас- сматриваются процессы, сопровождающиеся образованием большого количества пыли, для удаления которой исполь- зуются тканевые фильтры. Очистка газов на сажевых заводах. Сажа—продукт не- полного сгорания или термического разложения угле- водородов. Сажа используется как сырье в резино-техни- ческой, полиграфической, лакокрасочной и других отрас- лях промышленности. Производство сажи непрерывно увеличивается и расширяется номенклатура выпускаемых сортов, особенно высокодисперсных — активных и полу- активных саж. Сажу получают в процессе сжигания продуктов пере- работки нефти или каменного угля, а также природных газов в особых реакторах (печах) при недостатке воздуха. 234
Взвешенные частицы сажи извлекают из саже-газовой смеси, выходящей из реакторов и сушильных отделений мокрого гра- нулирования, а также из саже-воздушной смеси, образующейся при пневматическом транспортировании сажи. Типичная схема установки для улавливания активной^сажи ТМ-70 в технологическом потоке приведена на рис. V.I. После подогрева и очистки от механических примесей и влаги сырье подается через распылительные форсунки в реакторы, куда одновременно подается топливо (газ нефтяной или природный) и подогретый воздух. В зоне горения при температуре 1400° С Рис. V.I. Схема установки для улавливания активной сажи в сажевом производстве: 1 — водяной холодильник; 2 — циклон; 3 — рукавный стеклотканевый фильтр. образуется сажа. Одновременно в реактор через форсунки подается очищенная от примесей вода, которая предотвращает увеличение размеров первичных сажевых частиц. Количество топлива и воз- духа для получения сажи контролируется и регулируется автома- тическими устройствами. Полученная в реакторах саже-газовая смесь, пройдя предва- рительно воздухоподогреватели, при температуре около 600° С и давлении 6—8 кн1м? (600—800 мм вод. ст.) поступает в систему сажеулавливания. Если сажа получается из серосодержащих масел, то точка росы образующихся коррозионно-активных газов соответствует температуре 130—150° С; в связи с этим фильтрация смеси должна проводиться при температуре не ниже 180—200° С. В этих условиях в качестве фильтрующих поверхностей исполь- зуются стеклянные ткани. Сухие реакторные газы, поступающие на очистку, имеют следующий средний состав (в объемн. %): СО2............ 3,7—4,4 Na .... . 63,8—65,7 СО 14,9—17,0 H2S . не более 0,3 Н2 . 13,5—15,0 О2 . . 0,1—0,6 СН4 0,2—1,1 В 1 ж3 сухих газов содержится 440—500 г!м* (н. у.) водяных паров, 55—60 г/м& сажи; удельная поверхность сажи составляет 235
85—70 м21г, что соответствует дисперсности первичных частиц сажи 20—35 нм. Полученная саже-газовая смесь направляется в водяной хо- лодильник, представляющий собой полый скруббер с форсунками для распыления воды. В скруббере саже-газовая смесь охлаж- дается до 270—300° С. Такой способ охлаждения создает благо- приятные условия для коагуляции сажевых частиц в потоке и по- вышает степень улавливания их на последующих операциях очи- стки. Находящаяся в верхней части скруббера задвижка с элек- троприводом создает возможность выводить газы непосредственно в атмосферу (например, при разогреве системы). Температура саже-газовой смеси, выходящей из скруббера, регулируется автоматически в результате изменения количества подаваемой воды. В случае неполного испарения воды в холодиль- нике (в основном в периоды пуска и остановки реакторов) она может выводиться через гидрозатвор в канализацию. После холодильника саже-газовая смесь при давлении 6— 8 кн!м2 (600—800 мм вод. ст.) проходит последовательно четыре циклона конструкции НИИОгаз типа СК-ЦН-34, в которых осаж- дается около 90% сажи, содержащейся в потоке, а затем при тем- пературе 220—250° С и давлении 2,5—3,0 кн!м? (250—300 мм вод. ст.) направляется в рукавный фильтр типа ФР-2800 или ФР-3730. Очищенные в рукавном фильтре газы с остаточной концентра- цией сажи 20—40 мг!м& направляются для дожигания газов в котлы-утилизаторы или в котельную. Такая система очистки позволяет практически полностью исключить загрязнение атмос- феры отходящими газами сажевого производства. Регенерация рукавов фильтра производится обратной продувкой очищенными газами при одновременном воздействии механизмов встряхива- ния. Секции продуваются поочередно, причем более высокий напор продувочных газов, создаваемый вентилятором, позволяет пере- давать их во входной коллектор неочищенных газов, откуда они распределяются по секциям. Объемный расход продувочных газов составляет 10 000—12 000 м3/ч. Обратная продувка рукавов воз- духом не допускается, так как саже-газовая смесь взрыво- опасна. Уловленная в рукавном фильтре сажа через шлюзовые затворы поступает в сборный трубопровод, откуда вентилятором подается во второй по ходу газов циклон, в котором находится саже-газо- вая смесь, подлежащая улавливанию. Возврат уловленной сажи в циклоны способствует коагуляции частиц и повышению эффек- тивности очистки газов. Уловленная в циклонах сажа через шлюзовые затворы выводится в линию пневмотранспорта, откуда направляется в цех обработки. Вся установка улавливания работает под избыточным давле- нием, что исключает опасность взрыва внутри системы из-за подсосов воздуха. 236
Ери отсутствии в саже-газовой смеси окислов серы в качестве фильтрующего материала можно использовать синтетические ткани при температуре 100—120° С. Вследствие резкого сокра- щения объема газов при охлаждении габариты фильтров в этом случае значительно меньше. Известны также системы еажеулавливания, работающие без циклонов, в которых используются рукава диаметром 280—300 мм, длиной 7,5—9,2 м, а регенерация проводится коллапс-методом1- 2. Средний срок службы рукавов по данным зарубежных фирм достигает 12 месяцев. Продолжительность регенерации рукавов ка ждой секции составляет от 15 до 40 сек и проводится она через каждые 15 мин. Срок службы рукавов зависит от многих факторов: скорости фильтрации, вида сажи, качества пошива, крепления и натяжения рукавов, от четкости работы клапанов, переключающих газы, от химического состава газов. В табл. V.1 приведены характеристики установок сажгулав- ливания в производстве сажи ТМ-70 с применением рукавов из эластичной стеклянной ткани. ТАБЛИЦА V.1 Характеристики установок сажеулавливашя в произзодстзе сажи ТМ-70 Показатели Скруббер- ХОЛОДИЛЬНИК Циклоны Рукавный фильтр Содержание ссжи в газах на выходе из аппарата, г/л«3 (н. у.) 55—61 5—10 0,02—0,04 Температура газов, °C: на входе в аппарат 450 270 230 » выходе из аппарата .... 270 236 200 Размер первичных частиц сажи, нм 20—35 Удельная поверхность частицы, ж2/г 85—70 Гидравлическсе сопротивление. н/лг2 .... 392 2060 1960 мм вод. ст. ... 40 210 200 Скорость газов, м/сек . 18—12 1,5 — Скорость фильтрации, м3/(л;2-мин) . . — —- 0,35 Расход на очистку 1000 мР/ч газов (н. у.): электроэнергии: Мдж .... . . 27,8 квт-ч . 7,75 воды, м3 0,056 стеклянной ткани, мР ... 0,034 Очистка газор в процессе мокрой грануляции сажи3-4-5. Сажа, уловленная циклонами и рукавными фильтрами в отделении улав- ливания и подаваемая пневмотранспортом в цех обработки, очи- щается от посторонних примесей в обвеивающих аппаратах, а за- 237
тем подается в мешалки-уплотнители. Через шлюзовые затворы она ссыпается в грануляционные барабаны, где перемешивается с водой; при этом образуются гранулы, которые сушатся во вра- щающихся сушильных барабанах горячими дымовыми газами, образующимися при сжигании горючего газа или жидкого топлива. Отходящие из сушильных барабанов газы содержат сажу во взвешенном состоянии и поэтому перед выбросом их в атмосферу должны очищаться. Объемный расход отходящих газов (н. у.) одного сушильного барабана составляет примерно 3,3 м3/сек (12 000 лг3/ч). Очистку газов в процессе мокрой грануляции сажи обычно проводят в многоступенчатой установке, состоящей из циклонов одной или двух ступеней и рукавного фильтра типа МФВ-204 с рукавами из ткани нитрон. Дымосос, установленный после рукавного фильтра, обеспе- чивает транспорт газов в системе улавливания. Ниже приводятся характеристики установок, применяемых для очистки газов в процессе мокрой грануляции сажи: Содержание сажи в газах, г!м3: начальное ................ . . 20 конечное.......... 0,03 Температура газов, °C . . ПО Влажность газов, объемн. % . . до 25 Гидравлическое сопротивление установки, н/л2 ................................ 2450 мм еод. ст......................... 250 Скорость фильтрации, л/3/(л/2 • мин) 0,8 Расход на очистку 1000 мР/ч газов: электроэнергии, Мдж .... 12,8 (3,56 квт-ч) ткани фильтровальной, л«2 . . 0,004 ОЧИСТКА ГАЗОВ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ И ОБРАБОТКЕ ПОРОШКОВ И ПЫЛЕВИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ Измельчение, смешение, классификация, транспортировка и упаковка сухих материалов связаны с выделением в местах за- грузки и разгрузки пыли. В целях снижения запыленности воз- духа в рабочих помещениях оборудуются закрытые вентилируе- мые кабины для загрузки сырья в дозаторы; при этом воздух, отсасываемый из кабин, очищается в тканевых фильтрах. На рис. V.2 приведена типичная схема улавливания пыли, выно- симой потоком охлаждающего воздуха из мельниц. Грубодисперс- ные частицы улавливаются в циклонах 9, а тонкодисперсная пыль улавливается в тканевых фильтрах 7. Система работает под небольшим разрежением 6. Для устранения опасности возгорания органических продук- тов (в результате электрической зарядки тканей и последующих 238
пробоев) целесообразно использовать небольшие фильтрующие поверхности в одном корпусе и значительно снизить подачу за- пыленного воздуха в фильтр. В фильтрах небольших размеров относительная влажность воздуха повышается вследствие выделе- ния влаги продуктом, при этом предотвращается накопление зарядов на пыли и ткани. Рис. V.2. Схема непрерывно действующей шаровой мельницы с пылеулавлива- нием: 1 — воздуходувка; 2 — воздушный фильтр; 3 — коллектор охлаждающей воды; 4 —шаровая мельница; 5 — расфасовочный бункер; 6 — весы; 7 — тканевый фильтр; 8 —загрузочная кабина с дверью; 9 — группа циклонов; 10 — уловленный продукт. Для улавливания ценных красителей и токсичных продуктов (фунгицидов, пестицидов, гербицидов и других органических и неорганических порошков и пылей) используются высокоэффек- тивные фильтры с фильтрующей поверхностью из фетра, в которых предусмотрена обратная струйная продувка или импульсный метод регенерации. После тканевых фильтров со встряхиванием необходимо дополнительно устанавливать набивные волокнистые фильтры, предназначенные для осаждения пыли, унесенной из тканей в случае их износа или по другим причинам. Тканевые фильтры, в которых улавливаются фармацевтические, пищевые и особо чистые продукты, изготовляются из нержаве- ющей стали или пластмассы; на внутренней поверхности уста- новки не должно быть участков, где бы могла осаждаться и накапливаться пыль продукта. 239
Очистка воздуха при просеивании, смешении, сепарации или классификации порошкообразных продуктов проводится по ана- логичным схемам. При увлажнительной грануляции предусма- тривается обогрев газоходов с тем, чтобы снизить относительную влажность воздуха (рис. V.3) и исключить слипание в тканевых фильтрах. Для удаления со стенок отложений начальный участок газо- хода оборудуют люками и очистными приспособлениями. В системах пневмотранс- порта порошков часто преду- сматривается полная рецир- куляция воздуха (рис. V.4), что экономически выгодно для небольших установок. В таких системах грубая пыль осаждается в цикло- нах, а неосевшая тонкая фракция остается в системе. Между вентилятором и цик- лоном устанавливается не- большой фильтр для вырав- нивания давления в системе6-7. Циклоны и тканевые фильтры используются для очистки подогретого воздуха, выходящего из распылитель- ной сушилки. Но чаще в таких системах применяются мокрые способы очистки и электрофильтры. Для очистки газов, отхо- дящих от вращающихся пе- прокалки или термического разложения материалов, применяют фильтры с термостойкими тканями (стеклянными и синтетическими). В этих схемах также часто используют зернистые (гравийные, керамические) фильтры и электрофильтры. Аналогичные аппараты предусматриваются в установках с псев- доожиженным слоем. Тканевые фильтры с импульсной регенера- цией широко применяются при сушке термореактивных и термо- пластичных смол (полиэтилена, поливинилхлорида, акрилони- трильных и бутадиенстирольных смол). Как указывалось, для улавливания гигроскопичных пылей особенно успешно используются синтетические ткани. В некоторых конструкциях фильтров для разрушения образующейся корочки внутри рукавов подвешиваются легкие цепочки 8. Бункера обычно обогреваются или используются вибраторы; для облегчения уда- 240 Рис. V.3. Установка увлажнительной грануляции с отсосом пыли к тканевому фильтру: 1 — дозатор материала; 2 — распылитель- ная форсунка; 3 — гранулятор; 4 — система обогрева. чей, используемых для сушки,
ления уловленной пыли иногда предусматривают резиновые двойные стенки и другие приспособления. Из изложенного видно, что тканевые фильтры широко при- меняются в химической промышленности. Фильтры из полиамидных (перлон) тканей6 производитель- ностью 167 мЧсек. (600 000 ж3/ч) используются в производстве моющих порошков. Рис. V.4. Пневматическая циркуляционная транспортирующая установка с пыле- улавливанием: 1 — загрузочная кабина с отсосом пыли; 2 — воздуходувка; 3 — весы; 4 — тканевый фильтр; 5 — сборники; 6 — аппарат для выравнивания давления; 7 — циклон; 8 — затвор-дозатор; 9 — бункер; 10 — подающий шнек. Тканевые фильтры производительностью 41,6 мЧсек. (150 000 мъ1ч) с полиэфирной тканью диолен применяются для очистки запыленного воздуха, отходящего из распылительной сушилки. Фильтры с такими тканями хорошо себя зарекомендо- вали также в производстве извести 10. Для очистки аспирационного воздуха от полузакрытых кар- бидных печей применен автоматический тканевый фильтр произ- водительностью 142 мЧсек (510 000 м3/ч), оснащенный полиэфир- ными рукавами (терилен) и регенерируемый путем встряхивания рукавов в горизонтальном направлении и. ПРИМЕНЕНИЕ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ НА АСБЕСТООБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИКАХ и Асбестовое волокно выделяется из руды путем многократного дробления руды с последующим отсасыванием освобожденного волокна с поверхности рудного потока на плоскокачающихся 16 В. Н. Ужов 241
грохотах. Концентрат, состоящий из смеси волокна, породной крошки и пыли, осаждается в циклонах, а затем доводится до требуемых кондиций. Любая операция при обработке и транспортировке продуктов на асбестообогатительных фабриках может быть источником запы- ления окружающей среды. По данным ВНИИасбеста, на асбестообогатительных фабриках концентрация пыли в воздухе, выходящем из технологических циклонов, составляет от 2 до 100 г!м3, а в воздухе, отсасываемом из укрытий оборудования, может доходить до 3 г/лг3. Средняя запыленность воздуха в сборных коллекторах, из которых он поступает на очистку, составляет 12—15 г!м3. Предельно допустимое содержание асбестовой пыли в воздухе рабочей зоны составляет 2 мг!м3, а концентрация пыли в воздухе, выбрасываемом в атмосферу асбестообогатительными фабриками, не должна превышать 100 мг/м? (на высоте 80 м и выше). Потребность воздуха на технологические нужды и вентиля- цию составляет 1,5—3 млн. м31ч. При таком расходе воздуха полностью исключается возможность отопления корпусов фабрик, а это в свою очередь затрудняет их эксплуатацию в зимнее время. В случае рециркуляции отсасываемого воздуха создается возмож- ность отказаться от подогрева подаваемого воздуха в корпуса фабрик, так как отсасываемый воздух, возвращаемый в помеще- ния, достаточно нагрет за счет тепловыделений от электродвига- телей и горячей руды, поступающей в цех на обогащение. Рециркуляция воздуха допускается только при условии со- держания в нем пыли (согласно санитарным нормам) 0,6 мг!м3, т. е. не более 30% от допустимой запыленности на рабочем месте (2 мг!м3). Обеспыливание аспирационного воздуха может производиться двумя способами. Если аспирационный воздух не используется в качестве рециркуляционного, он перед выбросом в атмосферу очищается в двухступенчатой установке, причем в качестве первой ступени применяется пылеосадительная камера, а в качестве второй — горизонтальные трехпольные электрофильтры типа АГПр-70. Остаточная запыленность воздуха после улавливания пыли на выходе из установки составляет 80—100 мг!м3. Если же аспирационный воздух используется в качестве рециркуляцион- ного, то он подвергается тонкой очистке в рукавных двухсекцион- ных фильтрах, регенерация рукавов в которых осуществляется поперечными колебаниями без продувки. В каждой секции фильтра размещено по 1152 рукава диаме- тром 130 мм и длиной 4400 мм каждый. Рукава изготовлены из хлопчатобумажного молескина (артикул 4160). Подлежащий очистке аспирационный воздух со степенью запыленности до 15 г/м3 поступает из коллектора запыленного воздуха через входные патрубки, снабженные дроссельными 242
клапанами, в бункерные части рукавного фильтра, фильтруется через ткань рукавов и поступает в камеру очищенного воздуха, откуда вентилятором отсасывается в коллектор очищенного воздуха и далее направляется на рециркуляцию. Регенерация рукавов производится периодически встряхива- нием с отключением при помощи дроссельного клапана подачи воздуха в регенерируемую секцию. Через каждый час секция фильтра выводится на регенерацию; продолжительность встряхивания составляет ~8 мин. Управление работой фильтра автоматизировано. Вывод сек- ции на регенерацию (закрытие и открытие дроссельных клапанов, включение и отключение механизмов встряхивания), выгрузка пыли из бункеров и другие операции производятся по заданной программе с помощью командных аппаратов КЭП. Предусмотрена также звуковая и световая сигнализация. Общая поверхность фильтрации двухсекционного рукавного фильтра равна 4140 м2. Ниже приводятся технико-экономические показатели уста- новки с рукавными фильтрами для очистки воздуха на асбесто- обогатительной фабрике: Запыленность воздуха, г/м3: до очистки . . до 15 после очистки.................. 0,006 Температура воздуха, поступающего на очистку, °C ................... 10—30 Гидравлическое сопротивление филь- тра перед регенерацией, н/м2 . . 715 (70 мм вод. ст.) Скорость фильтрации, м3/(м2-мин) 0,85 Расход электроэнергии 1 на очистку 1000 м3/ч воздуха, М.дж . . . .62,4 (17 квт-ч) ПРИМЕНЕНИЕ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ НА ЦЕМЕНТНЫХ ЗАВОДАХ Цемент получают на заводах двумя способами — мокрым и сухим. При получении цемента мокрым способом исходные мате- риалы — известняк, шлак и глину смешивают с водой и пере- малывают в сырьевых мельницах для получения шлама. Полу- ченный шлам обжигают в печах. Продукт обжига — клинкер размалывается в цементных мельницах и готовый продукт — цемент загружается в герметичные транспортные устройства или упаковывается в соответствующую тару. При получении цемента сухим способом исходные материалы вначале высушивают, затем измельчают и после этого обжигают в печи. Дальнейший процесс протекает аналогично мокрому спо- собу производства. 243
В качестве топлива для обжиговых печей обычно применяют горючий газ или уголь, сжигаемый в пылевидном состоянии; уголь предварительно высушивают и размалывают в топливо- подготовительных цехах (эти процессы могут выполняться раз- дельно или в одном агрегате). На всех операциях в производстве цемента образуются зна- чительные количества пыли, которая выносится из аппаратов Рис. V.5. Схема установки для очистки отходящих газов из вращающихся печей с циклонными теплообменниками на цементных заводах: 1 — вращающаяся обжиговая печь; 2 — затворы для пропускания шихты; 3—6 — циклон- ные теплообменники; 7 — загрузочный сырьевой бункер; 8 — водяной холодильник (скруббер); 9 — пылевой шлюзовый затвор; 10 — рукавный фильтр; // — дымосос; 12 — дымовая труба. вместе с газами и аспирационным воздухом. Поэтому на цемент- ных заводах производится обеспыливание газов и аспирационного воздуха. Обеспыливание газов от печей с циклонными теплообменни- ками. При работе по сухому способу производства в последнее время для обжига сырья применяют вращающиеся печи с циклон- ными теплообменниками. Отходящие из печи газы (рис. V.5) проходят последовательно расположенные один над другим цик- лонные теплообменники 3—6. Навстречу газам через течку из сырьевого бункера 7 движется сырьевая шихта таким образом, что вместе с газами она попадает во входной газопровод циклона 6. Шихта, находясь во взвешенном состоянии, нагревается в газо- проводе, а также в циклоне, а затем отделяется в циклоне от газов и попадает по выгрузочной трубе в газопровод, идущий из цик- 244
лона 4 в циклон 5. В циклоне 5 шихта еще сильнее нагревается; очищенные от материала газы направляются в циклон 6, а нагре- тая шихта через выгрузочную трубу поступает в газопровод, идущий в циклон 4, и т. д. Таким образом, в печь поступает шихта, нагретая до темпе- ратуры 700—800° С. В каждом из циклонных теплообменников отходящие печные газы охлаждаются на 250—200° С и примерно на столько же градусов нагревается поступающая в печь шихта. В результате такого подогрева шихты производительность печи повышается на 35—40% по сравнению с печью без подогрева шихты дымовыми газами при том же расходе топлива. Гидравлическое сопротивление печи и циклонных теплообмен- ников составляет около 5000 н/м2 (~500 мм вод. ст.). Отходящие газы из печей с циклонными теплообменниками, имеющие температуру 270—300° С и запыленность 20—25 г/м3, перед выбросом в атмосферу должны быть очищены. Очистка представляет значительные трудности в связи с высокой дисперс- ностью пыли, находящейся в отходящих газах печей с циклон- ными теплообменниками. По данным Б. А. Петрова и П. В. Сидякова 13, в газах, выхо- дящих из последней ступени циклонных теплообменников, пыль имеет следующий фракционный состав: Размер частиц, мкм ..... 0—10 >10—20 >20—30 >30 Содержание, % . . 75—80 14—17 9—10 0 При таком дисперсном составе пыли пылеулавливающие аппараты грубой и даже средней очистки газов (пылеуловители циклонного типа) могут быть применены только в качестве аппа- ратов предварительной очистки — для снижения входной кон- центрации пыли перед более эффективными пылеуловителями. Сухие электрофильтры в данном случае также малоэффек- тивны из-за низкого содержания водяных паров в очищаемых газах (влагосодержание газов =сЗ объемн. %). При низкой влаж- ности очищаемых газов и отсутствии кондиционирующих реаген- тов в газах удельное электрическое сопротивление улавливаемой пыли превышает «критйческую величину» 2 108 ом-м, что при- водит к возникновению обратной короны; электрическая проч- ность междуэлектродных промежутков резко снижается, и на электродах электрофильтра невозможно поддерживать необходи- мое напряжение. Для повышения влагосодержания очищаемых газов перед электрофильтрами устанавливают полые водяные скрубберы с авто- матическим регулированием температуры подаваемой в скруб- беры воды, чтобы обеспечить полное ее испарение. В противном случае образуется шлам и липкая пыль, которые вместе с брыз- гами отлагаются в газопроводах и на аппаратуре и усложняют 245
эксплуатацию установки. Кроме того, электрофильтры обеспе- чивают очистку газов только до 100 мг!мъ. Болёе тонкая очистка газов, отходящих от печей с циклон- ными теплообменниками, возможна при использовании рукавных фильтров. Для улавливания цементной пыли была разработана * конструкция четырнадцатисекционного рукавного фильтра с ру- кавами из стеклоткани, регенерируемыми путем периодического создания разрежения в бункере секции отдельным вентилято- ром 14’15 (коллапс-метод). В каждой секции фильтра находится Рис. V.6. Схема очистки газов от клинкерообжигательных печей: / — вращающаяся печь; 2 — пылеосадительиая камера; 3 — котел-утилизатор тепла; 4 — пылеуловитель циклонного типа; 5 — шнек для транспортировки пыли; 6 — венти- лятор; 7 — рукавный фильтр; 8 — силос. 48 рукавов диаметром 220 мм и длиной 10 м. Периодическая регенерация рукавов производится автоматически по программе с помощью прибора КЭП-12у. Управление продувочными клапа- нами, работающими при высокой температуре и в атмосфере запы- ленных газов, осуществляется гидроприводами, которые обеспе- чивают плавное сжатие рукавов, необходимую выдержку во времени для выпадения из них уловленной пыли и плавное раз- дутие рукавов. Такая система регенерации, по данным НИИ- цемента, достаточно эффективна. Производительность установки 47,2 мЧсек (170 000 м3!ч). В США обеспыливание газов, отходящих от клинкерообжига- тельных печей, проводится по схеме 16, показанной на рис. V.6. Стеклотканевый фильтр, используемый в этой установке, регене- рируется коллапс-методом. Фильтр состоит из восьми секций, имеющих герметичные бункера; в секции навешено 82 рукава диаметром 300 мм и длиной 7,5 м. Рукава в верхней части подве- шены к балкам, опирающимся на стенки корпуса, а в трубной * НИИцементом совместно с ВНИИССП и НИИцеммашем. 246
решетке они закреплены с помощью пружинящих колец, вшитых в рукав. Скорость фильтрации 0,55—0,75 м8/(м?-мин); регене- рация рукавов производится через 60 мин. Температура газов на входе в рукавный фильтр составляет 150—215° С. Внешние стенки фильтра облицованы листовым шифером, внутри стенки покрыты теплоизоляцией. Габариты фильтра 22x19x18 м. Каж- дая секция может отключаться для ремонта. Открытые нагнетательные фильтры без теплоизоляции бункеров применяются в том случае 17, если точка росы газов меньше 60° С. Напорные фильтры нахо- дятся под небольшим раз- режением за счет тяги выбросной трубы. Свежий воздух подается в камеру через решетчатый пол. Конструкция фильтра предусматривает доступ внутрь фильтра во время его работы. При обратной продувке вследствие подсоса холод- ного воздуха создается опасность конденсации влаги и залипания рука- вов. Поэтому при фильт- рации газов с точкой росы, лежащей выше 70° С, необходимо применять гер- метичный корпус с бун- Рис. V.7. Стеклотканевый фильтр для улав- ливания цементной пыли в бетонном кор- пусе; производительность — 6-10® м3/ч. керами, снабженными теплоизоляцией. Такие фильтры находятся в эксплуатации в США с 1954 г.; оказалось, что эластичные стеклоткани весьма долговечны; за два года выходило из строя от 1 до 10% рукавов, а за 2,5 — 3 года —от 40 до 46%. Сопротивление фильтров находилось в пределах 750—1000 н!м2 (75—100 мм вод. ст.). Широко используются также всасывающие фильтры с корпу- сами из монолитного железобетона. Общий вид установки с та- кими фильтрами показан на рис. V.7. Стоимость очистки газов в тканевых фильтрах, по сравнению с электрофильтрами, несколько ниже; особенно значительная экономия получена при более высокой эффективности при очистке газов из вращающихся печей с теплообменниками, применяемых для получения цемента сухим методом18. Недостатком тканевых фильтров является то, что в них улав- ливаются субмикронные частицы, обогащенные щелочами. Такую пыль нельзя возвращать в обжигательную печь 247
в отличие от пыли, уловленной в циклонах и в электро- фильтрах. Обеспыливание аспирационного воздуха цементных мельниц. Клинкер размалывают на цементных заводах обычно в шаровых мельницах. При ударе шаров температура внутри мельниц повы- шается, происходит испарение остаточной влаги поступивших на размол материалов и влажность воздуха повышается; в неко- торых случаях водяные пары конденсируются, вследствие чего замазываются решетки мельницы. Поэтому помольные установки оборудуются аспирационными устройствами, непрерывно проса- сывающими через работающую мельницу воздух для удаления из нее водяных паров. Просасываемый воздух захватывает тонко- измельченные частицы материала и выносит их из мельницы. В большинстве случаев цементные мельницы на заводах ра- ботают по открытому циклу (без возврата аспирационного воз- духа обратно в мельницу); меньше распространены мельницы, работающие по замкнутому циклу. Концентрация пыли в аспирационном воздухе цементных мельниц по данным Б. А. Петрова и П. В. Сидякова 13 составляет для мельниц с центральной разгрузкой 250—400 г/м3, для мель- ниц с периферийной разгрузкой — 400—900 г/м3. В табл. V.2 приводится фракционный состав пылевых проб, отобранных в аспирационном тракте до пылеулавливающих аппаратов. ТАБЛИЦА V.2 Фракционный состав пыли (в %) в аспирационном воздухе цементных мельниц Место отбора пробы Содержание фракций с размером частиц, мкм 0—10 >10—20 >20—30 >30—40 >40—60 >60—90 >90—200 >200 На выходе из аспира- ционной коробки: обычного типа . . 30,2 19,9 19,8 13,6 7,4 7,6 1,3 0,20 шахтного типа 60,6 15,7 11,8 3,6 7,5 0,8 — — Очистка аспирационного воздуха цементных мельниц наиболее часто проводится по двухступенчатой схеме в групповых циклонах и электрофильтрах или рукавных фильтрах. Степень очистки воздуха в первой ступени при использовании циклонов НИИОгаз диаметром 600 мм составляет ~90%. В рукавных фильтрах в качестве фильтрующего материала -используются сукно № 2 ГОСТ 6986—54 (реже применяется шерстяная байка Ч. Ш., артикул № 21), лавсан (СТУ-30 Лен. СНХ 12418—62). 248
Скорость фильтрации при очистке аспирационного воздуха цементных мельниц рекомендуется принимать, исходя из коли- чества пыли, поступающей в единицу времени на 1 ж2 фильтру- ющей поверхности13; для нормальной эксплуатации рукавных фильтров это количество не должно превышать 16,8 г!мин (1000 г/ч), при этом скорость фильтрации не должна превышать 2 м3/(м3 мин). В табл. V.3 приведен фракционный состав пыли, поступающей в рукавные фильтры с аспирационным воздухом цементных мель- ниц, после очистки в циклонах13. ТАБЛИЦА V.3 Фракционный состав пыли (в %) в аспирационном воздухе цементных мельниц после очистки в циклонах Цемент Содержание фракции с размером частиц, мкм 0—10 >10—20 >20—40 >40—60 >60 Шиферный . . 89 0 4,0 4,0 2,0 1,0 Пуццолановый Шлакопортланд при интен- сивности вентиляции, кг/кг: 85,5 6,7 5,3 1,3 1,2 0,29 89,5 5,4 4,3 0,5 0,3 0,08 Портландцемент после оса- 97,0 2,9 0,1 — — дителя 62,0 25,0 13,0 — — Степень очистки газов в рукавных фильтрах (второй ступени очистки) после циклонов на разных цементных заводах колеб- лется от 94 до 98%. При повышении температуры очищаемого воздуха выше уста- новленных пределов наблюдается быстрый износ ткани рукавов и замазывание ткани, если температура ее оказывается ниже точки росы воздуха, поступающего на фильтрацию. Для устра- нения конденсации на обратную продувку ткани должен пода- ваться воздух с температурой не ниже 60° С. Для обеспыливания аспирационного воздуха разработан 14-15 рукавный фильтр РВФ-1, регенерируемый за счет горизонтальных колебаний (с частотой 136 двойных колебаний в течение 1 мин) с помощью механизма встряхивания (червячный редуктор с эксцен- триком на тихоходном валу), расположенного вне корпуса. Фильтр РВФ-1 состоит из 8 секций, в каждой из которых нахо- дится по 32 рукава; диаметр рукавов — 135 мм, длина 5 м; в ка- честве фильтрующего материала используется лавсан или нитрон. Производительность фильтра 30 000 м3/ч при нагрузке 0,92— 1,04 м31(мг’мин.). 249
Ниже приводится характеристика установки для очистки аспирационного воздуха цементных мельниц (циклоны и рукав- ный фильтр): Запыленность воздуха, г/лг3: до очистки ................... ..... 250—900 после очистки ... . . 0,05 Температура воздуха, °C................. 90—130 Влажность поступающего воздуха, объемн.% 5,0 Гидравлическое сопротивление установки, н/м2 ...............'................... 2000 (200 мм вод. ст.) Скорость фильтрации, м3/(м2 мин) ... до 2,0 Расход на очистку 1000 м3/ч воздуха; электроэнергии, Мдж....................... 9,0 (2,5 квт-ч) ткани фильтровальной, jk2 .... 0,005 ПРИМЕНЕНИЕ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ НА ЗАВОДАХ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ В связи с широким применением в металлургических произ- водствах кислородного дутья возникла необходимость очистки газов, отходящих от плавильных печей (мартеновских, электро- дуговых) и конвертеров. Образующиеся при плавке высокодис- персные возгоны окислов железа («бурый дым») содержат частицы < 10 мкм до 98%, <5 мкм до 90% и < 1 мкм до 50%. При таком составе пыли наиболее часто в промышленности применяют способ мокрой очистки воздуха в трубах Вентури и электрофильтрах. В последние годы установки начали оснащать фильтрами с термо- стойкими тканями 19~22. При очистке металлургических возгонов необходимо, чтобы из печи отсасывалось минимальное по’объему количество газов; кроме того, должен быть налажен учет количества отсасываемого газа для предупреждения образования взрывоопасных смесей и охлаждения газов перед поступлением их в фильтр 23 ~26. Если отсос газов из электродуговой печи проводится через вытяжные зонты, то температура их за счет подсоса воздуха снижается до 120—150° С и тканевые фильтры применяют без дожигания СО и без систем предварительного охлаждения. При отсосе газов непосредственно из печи через водоохлаж- даемый коленчатый патрубок в своде печи температура газов на выходе из водоохлаждаемого патрубка достигает 700—800° С и выше, поэтому требуется дожигание газов и их охлаждение в котлах-утилизаторах (с утилизацией тепла в водоохлаждающих каминах и участках газоходов, испарительных колоннах и труб- чатых воздушных холодильниках конвекционного типа). Отсос газов без доступа воздуха обычно осуществляют из электропечей большой производительности (больше 30—50 tn), ас подсосом воздуха — из печей малой мощности 23-25. [ При отсосе газов через вытяжные зонты чаще используются фильтры с рукавами из орлоновых тканей 26~28. Например, 250
фирма «Вилабратор» на заводах Бетлхим Стил Корпорейшн для очистки газов от электропечей установила тридцатисекцион- ный полностью автоматизированный рукавный фильтр нагнета- тельного типа производительностью 1,35 млн. лг3/ч, улавлива- ющий 8—10 ml сутки пыли. В каждой секции 192 рукава из орлона (всего 5700 рукавов) диаметром 200 мм и длиной 6,7 м. Регенера- ция каждой секции осуществляется поперечными колебаниями без обратной продувки в течение 45 сек.; длительность периода между регенерациями составляет 3 мин. Скорость фильтрации — 0,6— 0,9 м!мин. Фильтр герметичный; корпус выполнен из нержаве- ющей стали 28. Наряду с синтетическими тканями используются также стек- лянные ткани, обработанные силиконом и графитом 29-30. Напри- мер, в Швейцарии для очистки газов, отходящих от ферросплав- ных и ферросилициевых электродуговых печей, установлен фильтр с рукавами из стеклянной ткани, которые регенерируются обрат- ной продувкой 30. При отсосе газов непосредственно из печи предусматривается система для охлаждения газа и стабилизации его температуры. Рукавные фильтры из стеклянных или синтетических тканей обеспечивают концентрацию пыли на выходе 7—20 мг!м\ Не- смотря на то, что скорость фильтрации в стеклотканевых филь- трах меньше, чем в фильтрах с рукавами из синтетических тканей, при использовании стеклянных тканей температура газов может оставаться более высокой (220—250° С) и меньше вероятность прожога тканей, что является в ряде случаев важным преимуще- ством рукавных фильтров со стеклянной тканью. В литературе 27 описана система очистки газов из электро- дуговой печи емкостью 60 т, оснащенная воздушным охладителем с поверхностью труб 1230 м2. Температура на входе в поверх- ностный холодильник 500° С, на выходе — 140° С. Перед вводом газов в фильтр автоматически регулируется их температура путем подсоса воздуха. Расход газов при плавке составляет 42 тыс. мг!ч; при разливе стали и загрузке печи — 21 тыс. м31ч. Концентрация пыли на входе 5—15 г/м3, на выходе из фильтра — 15 мг/м3. Срок службы рукавов из полиакрилового волокна составил более двух лет. В ФРГ в 1965 г. был введен в эксплуатацию фильтр для очи- стки газов из четырех печей общей производительностью 67,5 т, оборудованный стеклотканевыми рукавами диаметром 305 мм и длиной 9,3 м с верхней раздачей газов 2®. Рукава имели кольца жесткости и регенерировались обратной продувкой. Несмотря на содержание паров HF в газах, за два года работы было заме- нено только 129 рукавов'из общего количества 288; это по-видимому, можно объяснить тем, что газы содержали значительное количе- ство щелочных примесей, нейтрализовавших HF. Выходная концентрация пыли составляла 8—12 мг/м3. Фильтр для очистки 251
газов от электродуговой печи 31 емкостью 150 т был установлен также английской фирмой «Лейкене Стил Корпорейшн» в 1965 г. Пылеуловитель нагнетательного типа состоит из восьми камер с рукавами из дакрона, которые регенерируются обратной про- дувкой. Одна из камер постоянно находится в ремонте, одна — на регенерации, а шесть постоянно работают. Эффективность очистки — более 99,0%; Ар =0,75— 1 khIm2, (75—100 мм вод.ст.). Применены рукава диаметром 300 мм и высотой 8,5 м, оснащен- ные кольцами жесткости. Очистка камер производится три раза в час. Такое использование камер обеспечило надежную работу установки. Тканевые фильтры, обеспечивающие наиболее эффективную очистку газов, обычно применяются для очистки отходящих газов от сталелитейных заводов, расположенных вблизи жилых райо- нов. В них очищаются газы от вагранок19-22, мартеновских печей21, агломерационных линий11, литейных цехов11’32. Ско- рость фильтрации в них составляет 0,5—1,2 м!мин. Окислы серы, содержащиеся в небольших концентрациях в газах при сжигании мазута, практически не влияют на работу фильтров 21. При наличии в шихте плавикового шпата (CaF2) использование стеклянных тканей может привести к их быстрому разрушению. ПРИМЕНЕНИЕ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ НА ЗАВОДАХ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ При получении цветных металлов в* печах: шахтных, кипящего слоя, отражательных, трубчатых, конверторных и др. выде- ляется большое количество пыли. Наряду с более крупными частицами в пыли содержатся высокодисперсные частицы возгон- ной пыли. Эффективное улавливание возгонов (не менее 98—99%) производится в электрофильтрах и тканевых (рукавных) филь- трах (иногда в турбулентных промывателях). Одной из характерных особенностей возгонов цветных метал- лов и их соединений, например окислов свинца и цинка, сульфида свинца и др., является высокое электрическое сопротивление, вследствие чего возникает необходимость кондиционирования (охлаждения и увлажнения) газов, если улавливание пыли про- изводится в сухих электрофильтрах и требуется поддержание температуры и влажности очищаемых газов в весьма узком интер- вале. Кондиционирование, проводимое обычно путем подачи воды в газовый поток, представляет некоторые трудности, усугубляе- мые опасностью коррозии в случае содержания в газах агрессив- ных компонентов (окислы серы и др.), что присуще газам цветной металлургии. 252
При использовании рукавных фильтров столь тщательное поддержание интервалов температуры и влажности очищаемых газов не требуется. Охлаждение газов до заданной температуры (необходимой для устойчивой работы фильтровальной ткани), зависящей от вида волокнистых материалов, из которых изготов- лена фильтровальная ткань, может производиться не только водой, но и подсосом воздуха, а также в поверхностных холодиль- никах (кулерах). В этих фильтрах при правильной их эксплуатации дости- гается почти полное улавливание (98—99%) даже наиболее тон- ких частиц возгонов субмикронного размера. Рис. V.8. Зависимость разрывной нагрузки по основе и утку фильтровальных тканей нитрон и ЦМ от продолжительности службы при различных температурах (за 100% принята разрывная нагрузка свежих тканей): 1 — нитрон при 120° С (по утку); 2 — нитрон при 120° С (по основе); 3 — ткань ЦМ при 90° С (по основе); 4 — ткань ЦМ при 90° С (по утку); 5— ткань ЦМ при 120° С (по основе); 6 — ткань ЦМ при 120° С (по утку). Кроме того, высокая стоимость и значительная токсичность пылей, образующихся, например, при производстве свинца, цинка, вторичной меди и других металлов, обусловили широкое применение тканевых рукавных фильтров с площадью фильтра- ции, достигающей нескольких десятков тысяч квадратных метров на заводах цветной металлургии. Наиболее часто используются бесшовные фильтровальные рукава из ткани ЦМ. С 1960 г. в ка- честве фильтровальной ткани в этих рукавах применяются ткани из термо- и кислотостойких синтетических волокон нитрон и лавсан 33. Прочность тканей для рукавных фильтров определяется по разрывной нагрузке образцов, взятых из нижней, наиболее подверженной износу части фильтровальных рукавов, после их работы в производственных условиях в течение определенных промежутков времени. На рис. V.8 показана зависимость величины разрывной на- грузки фильтровальных тканей нитрон и ЦМ от продолжитель- 253
ности работы рукавных фильтров при очистке отходящих из шахтных печей газов в производстве вторичной меди. Из рис. V.8 видно, что срок службы ткани нитрон, работающей при температуре —120° С, оказался значительно выше, чем ткани ЦМ, работающей при температуре газов не более 100° С. Аналогичные данные Продолжительность работы, месяцы Рис. V.9. Зависимость разрывной нагрузки и относительного удлине- ния для ткани из лавса- нового волокна (газы трубчатых печей цин- кового завода): 1 — разрывная нагрузка ткани по основе; 2 — раз- рывная нагрузка ткани по утку; 5 — относительное удлинение ткаии по основе; 4 — относительное удлине- ние тканн по утку. получены при очистке газов свинцового производства; срок службы ткани нитрон был почти в два раза больше, чем ткани ЦМ. Но при этом оказалось, что ткань ЦМ, обладая большей массой, че- шуйчатостыо и лучшей структурой воло- кон (по сравнению с тканью нитрон), не- сколько более эффективна в этих усло- виях. Синтетические фильтровальные ткани нитрон и лавсан в основном удовлетворяют технико-экономическим и санитарно-ги- гиеническим требованиям, но в опреде- ленных условиях эти ткани ведут себя по-разному. Так, при фильтрации газов с повышенной влажностью волокно лав- сан быстро разрушается вследствие гидролиза. Вместе с тем эта ткань с успехом применяется для фильтрации агломерационных газов свинцового про- изводства 34 (точка росы газов около 40° С) со сроком службы порядка 10 месяцев, а тйкже для улавливания трех- окиси сурьмы 35 ит. д.; при фильтрации же газов трубчатых печей цинкового про- изводства с высокой влажностью (точка росы около 50° С) ткань лавсан прослу- жила менее 2 месяцев 34. На рис. V.9 по- казана зависимость разрывной нагрузки и удлинения для ткани лавсан от продолжительности ее службы в рукавных фильтрах трубчатых печей цинкового за- вода. Предельно допустимая температура для тканей из нитрона и лавсана составляет 130° С. В некоторых случаях, например, при обжиге сульфидных материалов в присутствии серного анги- дрида температура точки росы газов повышается до 200° С и более, и, следовательно, фильтрация может производиться только при температуре газов, превышающей точку росы, т. е. при 225— 300° С. В этих условиях вместо синтетических материалов применяют стеклянную ткань, обладающую термостойкостью и кислотостой- костью. Так, на медеплавильном заводе «Флин—Флон» (Канада) 36, 254
где очищаются смешанные газы отражательной печи и конвер- торов, содержащие 2,0% SO2 и 0,005% SO3, газы поступают в фильтры при 230° С. В этих фильтрах применяется стеклянная ткань сарже- вого переплетения 1x3 с массой 420—440 г 1 лг2. В утке ткани используют штапельное волокно, а в основе филаментное. Воз- духопроницаемость ткани составляет 18—23 • мин) (при 12,7 мм вод. ст.). Срок службы ткани 2 года. Газы трубчатой печи на цинковом заводе «Огиел Вялый» (Польская Народная Республика) с температурой на входе в фильтры 240° С 37 очищают также в рукавных фильтрах со стеклянной тканью. В связи с применением рукавных фильтров со струйной про- дувкой для доочистки технологических газов и тонкой очистки вентиляционных газов потребовалось разработать специальные утяжеленные ткани (двух- и трехслойные фильтровальные ткани из волокон лавсан и нитрон с массой до 800—1000 г 1 м2). Конструкции рукавных фильтров должны обладать достаточ- ной герметичностью (из-за токсичности и агрессивности газов), механической прочностью и длительным сроком службы; поэтому стенки фильтров изготовляют из листового металла толщиной не менее 3—4 мм и покрывают изоляцией. Как правило, рукавные фильтры работают под разрежением. Продувочный воздух во многих случаях подогревают в калори- ферах до 50—60° С. Пыль из рукавных фильтров передается пневмотранспортом. Для очистки вентиляционных газов используются многосек- ционные рукавные фильтры типа РФГ конструкции Гипроцветмета (см. стр. 209). Фильтры этого типа разделены на 10 секций, в каждой из которых находится 14 рукавов. Секции вклю- чаются на регенерацию поочередно. Для этой цели фильтр оборудован распределительным механизмом, работающим круг- лосуточно. На многих установках большой производительности одно- временно работают 10 и более фильтров РФГ, что соответствует 100 или более секциям; это затрудняет уход за распределитель- ными механизмами, приводит к ухудшению регенерации ткани. На некоторых заводах цветной металлургии регенерация ткани всего фильтра РФГ (10 секций) проводится одновременно. Для этого устанавливают два общих дросселя на фильтр: чистого газа и продувочный, управление которыми осуществляется исполни- тельным механизмом; последний получает через определенные промежутки времени импульс на регенерацию от автоматической системы или включается при заданной величине гидравлического сопротивления ткани. Одновременно с обратной продувкой про- изводится механическое встряхивание рукавов, также включаю- щееся автоматически. При такой системе регенерации улучшается 255
эффективность регенерации ткани и повышается производитель- ность рукавных фильтров (на 20% и более), снижается расход электроэнергии вследствие резкого сокращения продолжитель- ности работы электродвигателей для привода механизмов встря- хивания (с 24 до 1 ч в сутки), уменьшается стоимость эксплуата- ции механизмов и сокращается численность обслуживающего персонала. Подача продувочного воздуха производится двумя крупными вентиляторами. Продувочный воздух подогревается в калориферах. На многих заводах цветной металлургии требуются укрупнен- ные рукавные фильтры с большой поверхностью фильтрации. В Гипроцветмете разработан рукавный фильтр типа УРФМ с укрупненными секциями (см. стр. 214). Для обеспечения предельно допустимых концентраций свинца в атмосфере населенных мест требуется снизить его концентра- цию, составляющую 20—50 мг/м?, в несколько раз, т. е. примерно до 3—4 ла/лг3. Добиться такой концентрации при очистке в обычных Эксплуатационные показатели рукавных фильтров, установленных на заводах Завод Источник запыления газов Тип фильтра диа- метр м Рукава длина м ткань Свинцовый Бедные газы спека- тельной машины с дутьем снизу •рфг 0,22 3,1 нитрон Купеляционные печи РФГ 0,22 3,1 ткань ЦМ Шахтные печи РФГ 0,22 3,1 » » Шлаковозгонка РФГ 0,22 3,1 нитрон Горны Мешочный 0,45 9,0 шерсть Цинковый Трубчатые печи (вельц-печи) РФГ 0,22 3,1 ткань ЦМ То же Тильгман * (Англия) 0,203 5,3 стекло- ткань Медеплавиль- ный (вторич- Шахтные печи РФГ 0,22 3,1 ткань ЦМ ное сырье) Конвертеры Мешочный 0,67 9,6 » » Вентиляционные га- зы РФГ ** 0,22 3,1 » » Свинцовый То же Со струйной продувкой *** 0,3 4,2 лавсан двух- слойный * Регенерация стеклоткани производится только обратной продувкой. ** Регенерация ткани производится 8 раз в сутки. *** Опытно-промышленная конструкция. **** Скорость фильтрации рассчитана по количеству газов на входе в фильтры при ***** Предельное гидравлическое сопротивление, при котором производится регене 256
рукавных фильтрах (типа РФГ и т. п), работающих с очень вы- сокой эффективностью (порядка 98—99%), невозможно, поэтому требуется доочищать технологические газы. При больших объемах газов, проходящих через рукавные фильтры, такая очистка свя- зана с большими трудностями. Такие же трудности возникают при тонкой очистке вентиля- ционных газов, которые в большинстве случаев до последнего времени вообще очистке не подвергались. Объемы этих газов также велики, а содержание очень дисперсной пыли мало (газы общеобменной вентиляции обычно содержат не более 100 мг/м3). При выбросе в атмосферу вентиляционных газов без очистки мо- жет резко ухудшиться состояние воздушного бассейна; это ка- сается, например, очистки газов из плавильных цехов свинцовых заводов, когда в пыли вентиляционных газов содержание свинца в виде возгонов достигает 60—65%. Доочистку технологических и тонкую очистку вентиляционных газов целесообразно производить в рукавных фильтрах со струй- ТАБЛИЦА V.4 цветной металлургии Температура газов, °C Запыленность газов, г/м& Степень улавли- вания пыли, % Гидравли- ческое со- противление ткаии фильтра Н/Л42 Ско- рость **** фильтра- ции №/<JWz X X лшн) на входе в фильтр на' выходе из фильтра на входе в фильтр на выходе нз фильтра 80—110 50—80 3—5 0,03—0,05 99,0 600—900 0,7 90 60 3—5 0,05 98—99 300—500 0 9—0,95 85 50—60 3,5 0,02—0,04 98,4 1100—1200 1,0 130—140 — 20—40 0,02 99,9 1000 1,0 89—95 42—45 18—19 0,015 99,9 500—700 0,24 100—110 — 37 0,035 99,9 900—1300 0,7 240 180 20 0,025 99,9 1200 0,3 100 70 3,8—6,6 0,035 99,4 700 0,9—1,0 100 60 12 0,085 99,5 600 0,35 — — 0,09 — 96,5 — 1,6 20—40 — 0,05—0,06 0,003—0,005 90—95 2500 ***** 6—7 рабочей температуре, рация ткани. 17 В. Н. Ужов 257
ной продувкой. Как показали исследования на одном из свинцо- вых заводов38, при доочистке газов шахтных печей, прошедших предварительную очистку в рукавных фильтрах РФГ-5 и име- ющих остаточную запыленность 30—50 жа/ж3, в рукавном фильтре со струйной продувкой достигалась выходная запыленность 3—5 мг/м2. Скорость фильтрации составляла 6—9 м/мин при гидравлическом сопротивлении 2000 н/м2 (200 мм вод. ст.). После очистки вентиляционных газов с начальной запыленно- стью 165—185 мг/м2 в том же рукавном фильтре со струйной продувкой и скоростью фильтрации 5—7 м/мин выходная запы- ленность газов составила 2—5 мг/м2. При испытаниях применялась двухслойная фильтровальная ткань нитрон, масса 1 м2 которой составляла 700 г; продувка ткани при регенерации производилась сжатым воздухом под давлением 0,35—0,4 Мн/м2 (3,5 ат). Для очистки вентиляционных газов плавильного цеха Чим- кентского свинцового завода использовался четырехсекционный рукавный фильтр со струйной продувкой конструкции Гипро- цветмета; содержание свинца в высокодисперсной пыли составило более 60%. В этом фильтре продувка ткани производится не сжатым (компрессорным) воздухом, а дутьевым с давлением 20 кн/м2 (2000 мм вод. ст.), что значительно экономичнее и удобнее. В секции восемь фильтровальных рукавов из двухслойной ткани лавсан, изготовленной в ЦНИХБИ; диаметр рукавов — 300 мм. Продувка ткани производится воздухом, подаваемым по центральной трубе диаметром 294 мм в прикрепленную к ней двойную каретку с продувочными кольцами. Центральная труба передвигается лебедкой и через гидравлический затвор и дроссель- ный клапан соединена с магистралью дутьевого воздуха. При достижении заданной величины гидравлического сопро- тивления 2—2,5 кн/м2 (200—250 мм вод. ст.) автоматически включается электродвигатель лебедки и открывается дроссельный клапан. По окончании продувки ткани, производимой за один ход каретки (вверх или вниз), лебедка останавливается и дрос- сельный клапан закрывается. В табл. V-Л приведены основные эксплуатационные показа- тели и технические характеристики рукавных фильтров, уста- новленных на заводах цветной металлургии. Средний срок службы рукавов из ткани ЦМ (масса 1 м2 ~500 г) составляет 6—7 месяцев при очистке газов шахтных печей, спе- кательных машин, шлаковозгоночных печей свинцовых заводов, трубчатых печей цинковых заводов. При очистке газов купеля- ционных печей свинцовых заводов и газов шахтных печей меде- плавильных заводов (вторичное сырье) срок службы ткани ЦМ несколько больше — 9—11 месяцев. Синтетическая ткань нитрон (масса 1 м2 ~400 г), несмотря на более высокую температуру 258
очищаемых газов (130—140° С вместо 95—100° С для ткани ЦМ), служит дольше: 14 месяцев при очистке газов шлаковозгоночных печей, 10—11 месяцев при очистке газов спекательных машин свинцовых заводов и 11—12 месяцев при очистке газов трубчатых печей цинковых заводов39. Фильтровальная ткань из стеклянного волокна, регенерируемая в основном обратной продувкой, служит около двух лет. ПРИМЕНЕНИЕ ТКАНЕВЫХ ФИЛЬТРОВ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ Повышенные требования к степени очистки топочных газов (99% и выше) вызывают значительное увеличение стоимости очистки электрофильтрами; применение тканевых фильтров для этих целей становится эконо- мически более выгодными. Испытания тканевых фильтров на котлах, где сжигается пыле- видный уголь, показали п-40’41, что при концентрации в газе золы 8,5 г/м3, содержащей до Рис. V.10. Стеклотканевый рукавный фильтр для очистки дымовых газов тепловой электростанции: а — общий вид установки; б — разрез секции фильтра: 1~ рукава; 2 — шнек; 3 — коллектор неочищенных газов. 50% частиц мельче 10 мкм, Шри температуре 150° С обеспечи- вается эффективность очистки т; >• 99% при гидравлическом сопротивлении 1 кн/м3 (100 мм вод. ст.). Во время сжигания в котлах нефти в поток топочных газов вводится пылевидный доломит для нейтрализации 42—44 SO2. Образующийся на фильтрах слой пыли хорошо удаляется кол- лапс-методом и достигается эффективность очистки >-99% при гидравлическом сопротивлении 800 н/м2 (80 мм вод. ст.). Коли- * 259
чество вдуваемого доломита в три раза превосходит требуемое для нейтрализации SO2, поэтому большая часть сернистых газов поглощается и температура точки росы снижается со 140 до 50° С. В США на тепловой электростанции, где сжигается 70 т/ч нефти, была смонтирована установка (рис. V. 10) производитель- ностью 380 м?!сек (1,38-10® м?1ч), работающая при температуре очищаемых газов 125° С. Установка состоит из 12 секций по 100 стеклотканевых рукавов в каждой диаметром 300 мм и дли- ной 12 м. Скорость фильтрации 2 м!мин. Установка имеет форму кольца, диаметр ее 27 м, высота фильтра 24 м, глубина секций 7 м. Без порошкообразного доломита установка плохо регенерирова- лась, сопротивление ткани достигало 2,5 кн/м? (250 мм вод. ст.), а над трубой был плотный султан тумана. - После введения в топочные газы доломита была исключена опасность коррозии и появилась возможность использования тепла отходящих газов.45 ЛИТЕРАТУРА 1. М й h 1 а г d W., Staub, 23, 535 (1963). 2. D г о g i п I., J. Air Poll Contr. Assoc., 8, 216 (1968). 3. У p 6 a x И. П., Схемы и аппараты очистки газов от сажи и пыли. Научно- техническая информация, НИИТЭхИМ, Москва, 1965. 4. Л и т в и н о в А. Т., Каучук и резина, № 2, 47 (1967). 5. Куркин В. П., Демидова Л. С., Каучук и резина, № 4, 39 (1967). 6. R a i с h 1 е L., J о h n G., Staub, 25, 139 (1965). 7. S w i 11 P., W e 1 1 s t A. J., Chem. a. Proc. Eng., № 9, 118 (1967). 8. Culhane F. R., Chem. Eng. Progr., 64, We 1, 65 (1968). 9. Kohn H., Tonind.-Zeitung und Keramische Rundschau, 89, 97 (1965). 10. Z u b r z у c k i Z., Cement-Wapno-Gips, № 10, 276 (1966); We 1, 20 (1967). 11. Sq uires B. J., Filtration and Separation, 4, 228 (1967); 6, 161 (1969). 12. Молчанов А. Г., Научные труды Всесоюзного научно-исследователь- ского института асбестовой промышленности, вып. 4, (1963). 13. Петров Б. А., С и д я к о в П. В., Обеспыливание технологических газов цементного производства, Стройиздат, 1965. 14. Б а н и т Ф. Г., Ч е с н о к о в Б. Ф., Фильтры и фильтровальные ткани для обеспыливания воздуха и горячих газов. Передовой научно-технический и производственный опыт, We 11—64—5/1, ГОСИНТИ, Москва, 1964. 15. Б а н и т Ф. Г., Ч е с н о к о в Б. Ф., Научные сообщения НИИцемента, We 19 (50), Стройиздат, 1965, стр. 22. 16. Н а г г i s о п В. Р., Air Engineering, We 3, 14 (1963). 17. A d a m s R. L., Chem. Eng. Progr., 62, We 4, 66 (1966). 18. Chamberlin R. L., Moo die G., Iron a. Steel, 14, XII, 621 (1966). 19. P г i n g R. T., Air Engineering, We 12, 26 (1961). 20. M fi h 1 a r d W., Stahl u. Eisen, 83, 921 (1963). 21. H e r r i c k R. A., J. Air Poll. Contr. Assoc., 13, 28 (1963). 22. M'fi h 1 a r d W„ Stahl u. Eisen, 82, 1579 (1962). 23. Очистка газов в металлургии, пер. с англ., Изд. «Металлургия», 1968. 24. Бережанский А. И., X о м у т и н н и к о в П. С., Утилизация, охлаждение и очистка конвертерных газов, изд. «Металлургия», 1967. 25. W г i g h t R. I., J. Air Poll. Contr. Assoc., 18, 175 (1968), 26. M u hl ar d W., Staub, 23, 535 (1963). 27. Ко p п H„ Tonind. Ztg., 89, 97 (1965). 28. Iron a. Steel Eng., 43, We 12, 161 (1966); 45, № 5, 139 (1968). 260
29. Bergmann P., Yesdinsky W., Reuter G., Werth met- ier E„ Stahl u. Eisen, 87, 1310 (1967). 30. -F e r r a r i R., J. Metalls, 20, № 4, 95 (1968). 31. В i n t z e r W. W., К 1 e i n t о p D. R., Iron a. Steel Eng., 44, № 6, 77 (1967). 32. Kohn H„ Staub, 23, 530 (1963). 33. Г о p д о н Г. M. и др., в сб. «Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии», № 20, Изд. «Металлургия», 1963, стр. 82. 34. Г о р д о н Г. М., Г е р ц е в а М., в сб. «Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии», № 24, Изд. «Металлургия», 1966, стр. 68. 35. Шебзуков Д., в сб. «Пылеулавливание в цветной металлургии»; № 6, Центр, ин-т информ, цвета, металлургии, 1967, стр. 86. 36. Canad. Mining a. Metallurgy, 53, № 377, 326 (1960). 37. Состояние пылеулавливания и методы борьбы с загрязнением воздушного бассейна стран—членов СЭВ, изд. Центр, ин-та информ, цвета, металлургии, 1968, стр. 17. 38. А й з е н б е р г В. Ш. и др., Цветные металлы, № 6, 36 (1968). 39. С а в р а е в В. П. и др., в сб. «Пылеулавливание в цветной металлургии», № 6, Центр, ин-т информ, цветн.металлургии, 1967, стр. 3—14,15—22,30—35. 40. Р i с h е 1 W„ ASHRAE J., 8, № 6, 87 (1964). 41. Borgwardt R. И., Harrington R. Е., Speite Р. W., J. Air Poll. Contr. Assoc., 18, 387 (1968). 42. G о s s e 1 i n A. E., J. Air Poll. Contr. Assoc., 15, 179 (1965). 43. G о s s e I i n A. E., Proc. Am. Power Cong., 128—137 (1964). 44. S e i d e W., Brennst.-Warme-Kraft., 19, 450 (1967). 45. В a g w e 1 I F. A., Cox L. F., P i r s h E. A., J. Air Poll. Contr. Assoc., 19, 149 (1969).
ГЛАВА VI ЗЕРНИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ Фильтрующие слои, состоящие из зерен сферической или другой формы, применяются для очистки газов го- раздо реже, чем волокнистые материалы. Важными пре- имуществами зернистых фильтров являются простота конструкции, доступность материалов, возможность ра- ботать при очень высоких температурах и в условиях агрессивной среды, выдерживать большие механические нагрузки и перепады давлений, а также резкие изменения температуры. Различают два типа зернистых фильтров: 1. Зернистые насадочные (насыпные) фильтры, в ко- торых улавливающие элементы (гранулы, куски, кольца Рашига и т. д.) не связаны жестко друг с другом. К этим фильтрам относятся: а) статические (неподвижные) слоевые фильтры; б) динамические (подвижные) слоевые фильтры с гра- витационным перемещением сыпучей среды; в) псевдоожиженные слои- 2. Жесткие пористые фильтры, в которых зерна прочно связаны друг с другом в результате спекания, прессо- вания или склеивания и образуют прочную неподвижную систему. К этим фильтрам относятся: а) пористая керамика; б) пористое стекло, графит, карбиды металлов и дру- гие менее распространенные материалы; в) пористые металлы; г) пористые пластмассы. МЕХАНИЗМ УЛАВЛИВАНИЯ ЧАСТИЦ В ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРАХ Улавливание аэрозольных частиц в зернистых фильтрах подчиняется тем же закономерностям, которые рассма- тривались для волокнистых материалов. При пропускании через эти фильтры полидисперсных аэрозолей одновре- менно действуют эффекты диффузии, седиментации, инер- ции и касания. В зависимости от конкретных параметров зернистой шихты, размера аэрозольных частиц, скорости 262
и направления газового потока осаждение частиц происходит по одному или одновременно нескольким механизмам. По аналогии с уравнением [(1.38), стр. 36] эффективность осаждения частиц в зернистом слое можно подсчитать по уравне- нию 1g = 0,651 е) (т]д + 4st + тщ + t)g + чэ) (VI. 1) где d3 — диаметр зерен. При малой скорости потока (до 0,05 м!сек) частицы мельче 0,5 мкм осаждаются в основном под влиянием диффузии, а более крупные — в результате седиментации х. Мисин 2, исследовавший поглощение субмикронных частиц, образующихся при распаде торона, слоем /активированного угля предложил рассчитывать коэффициент проскока по уравнению: К = е 1 «' 3 ' = e~fe*HPe ’/ds (VI.2) где k-i — константа. Для слоя дробленого активированного угля рекомендуется аналогичное уравнение 3: К = е-*гнре-о>41Мз (V1.3) Известны и другие уравнения, в которых показатель степени при числе Пекле изменяется от —х/3 до —2/3 в зависимости от степени неоднородности зерен и шероховатости их поверхности. Было установлено х, что зернистые слои обладают селектив- ностью проскока, т. е. кривые зависимости К. = f (2г) обладают экстремальными значениями, которые приходятся на частицы размером 0,4—0,9 мкм. С увеличением скорости потока величина этого максимума возрастает со смещением в сторону меньших частиц. Полученные зависимости показаны на рис. VI. 1. При низких скоростях потока и больших размерах зерен, когда R = 2r/d3 очень мало, a St StKp, осаждение частиц за счет касания и инерции почти не происходит и эффективность осаж- дения субмикронных частиц аэрозоля с ростом скорости резко снижается. Основное значение в механизме осаждения имеет эффект диффузии, преобладающий в восходящих частях кривых фракционной эффективности, и эффект седиментации, являю- щийся причиной спада кривых. Большая роль седиментации в осаждении частиц крупнее 0,4 мкм сказывается в зависимости проскока от направления потока: при восходящем потоке аэро- золя через слой (кривая 8) величина проскока была в 5—8 раз выше, чем при потоке, совпадающем с направлением гравитацион- ной силы (кривая 7). Слои из зерен песка неправильной формы обычно более эффек- тивны, чем слои из сферических или окатанных зерен. 263
Преобладающая роль инерционного осаждения была обнару- жена в диапазоне скоростей потока от 0,50 до 0,7 м/сек при улав- ливании частиц в слое песка с размерами зерен 1—2 мм и толщи- ной слоя 0,3 м. Оказалось, что для частиц размером 2 гм.в = = 0,55 мкм при плотности 2740 кг/м3 кривая эффективности имела резко выраженный минимум в случае и = 0,10—0,15 м/сек. При дальнейшем увеличении скорости эффективность довольно резко возрастала и достигала 55% при и = 0,5 м/сек. Рис. VI.I. Зависимость проскока от крупности аэрозольных частиц через песчаные фильтры с различными размерами зерен песка (в жж): 1, 2, 3 — 0,36; 4, 5, 6 -— 1,61; 7, 8 — 0,71. Скорость фильтрации (в /, 4, 7. S — 0, Ю9-10-2; 2, 5—0,545- 10 2; 5, 6 — 2,18- 10 2. с — нисходящий поток газов, б — нисхо- дящий (кривая 7) п восходящий поток газов (кривая 8). Высокоэффективное улавливание тонкодисперсных аэрозолей (с размерами частиц 2r =s£ 5 мкм) в зернистых фильтрах происхо- дит при низкой скорости потока (и < 0,05 м/сек), когда преобла- дает диффузионно-седиментационное осаждение и сопротивление потоку мало, а также при высокой скорости потока (более 0,5 м/сек), когда преобладает инерционный механизм осаждения частиц и сопротивление велико, а субмикронные частицы плохо улавли- ваются. В последнем случае для снижения сопротивления исполь- зуются более крупные улавливающие элементы с высокой по- ристостью слоя и большими размерами пор. Для предотвращения уноса уловленной пыли зернистые слои часто орошаются, а при улавливании жидких частиц скорость потока ограничивается наблюдающимся вторичным уносом жидко- сти из слоя. Следует отметить, что ввиду малой эффективности улавлива- ния частиц в грубозернистых слоях по сравнению с волокнистыми фильтрами, при малых скоростях фильтрации существенное зна- 264
чение могут иметь электрические эффекты. Например, при филь- трации полистирольных частиц с большим электрическим зарядом проскок возрос в 3—8 раз после нейтрализации аэрозоля облуче- нием на входе в слой радиоактивным препаратом Описанные механизмы улавливания частиц в зернистых слоях относятся к чистым (незапыленным) слоям, когда осаждение про- исходит по всей глубине слоя и автофильтрующий слой пыли образуется медленно, особенно в случае малых исходных концен- траций, а также улавливания жидких частиц. При достаточном накоплении пыли в порах между зернами эффективность улавли- вания значительно возрастает. Прохождение газов в порах зернистого слоя представляет сложное явление, так как размеры каналов резко меняются, а локальные значения пористости в реальных слоях значительно отличаются от средней пористости и некоторые из пор, особенно в спеченных материалах, не являются сквозными. Отдельные потоки газов непрерывно дробятся и меняют направление, обтекая беспорядочно расположенные зерна. Непрерывные сужения и рас- ширения каналов, а также флуктуации пористости обусловли- вают возникновение в порах поля случайных, пульсирующих по величине и направлению скоростей 4“7. В слоях имеются застой- ные зоны, которые особенно эффективны для осаждения частиц за счет диффузии и седиментации. Течение газов при низкой скорости характеризуется уравне- нием Дарси, но при повышении скорости наблюдается отклонение от него. Критическое значение числа Re, при котором наблю- дается это отклонение, для различных пористых тел изменяется от 1,0 до 150, т. е. при значительно меньших величинах, чем для прямых труб. Отклонения от закона Дарси вызываются не изме- нением режима течения, а возрастанием влияния сил инерции с увеличением скорости, т. е. многократное дросселирование струи вызывает псевдотурбулентность. Коэффициент проницаемости по- ристой среды, вычисленный по формуле Дарси, непрерывно уменьшается с увеличением скорости, начиная с ее малых ве- личин 8. Известно несколько расчетных полуэмпирических формул для определения гидравлического сопротивления зернистых слоев при различных режимах течения газа. Для слоев с широким фрак- ционным составом зерен расчеты по этим формулам не дают до- статочно точные результаты, особенно при наличии частиц про- извольной формы и неоднообразной укладке слоя. Для слоя зерен (элементов) произвольной формы при любом режиме течения газа сопротивление может быть рассчитано по формуле Др = х Яц2рг • (1 ~-з)3— (VI.4) 2ЩФ?Г" Е 265
где Л — коэффициент сопротивления слоя, зависящий от ве- личины Re; d3 — эквивалентный диаметр зерна (элемента), м; п — показатель степени, п = f (Re); <DS — коэффициент формы зерен (элементов), зависящий от их формы, размеров и структуры слоя; в — пористость, доли. Рис. VI.2. Зависимость коэффициента сопротивления X и показателя режима течения п «от критерия Рейнольдса [Re=ud3pr/(pe)I: а — ламинарный режим; б — переходный; в — турбулентный; Г.— гранулы плавленой окиси магния; 2 — глинозем; 3 — цемент; дроб- леный фарфор и стекло. Для ламинарного режима п = 1 и уравнение (VI.4) преобра- зуется в уравнение Козени—Кармана Др 180/Zup (1 —е)2 <^ф|е3 (VI.5) Беличика численного коэффициента в уравнении (VI.5) по данным различных авторов принимается от 150 до 200. Значения Лип при Re > 10 определяются по кривым рис. VI.2. Эквивалент- ный‘диаметр зерен (элементов) равен диаметру шара с таким же объемом: , _ 6v da~V дг (VI.6) 266
где V — объем одного зерна (в л«3). Для полидисперсных зерен средний эквивалентный диаметр рассчитывается по урав- нению: 1 _ VI -У/ -У1 . Xj . _ . Хп d$ d[ d1 d2 dn (VI.7) где — весовая доля зерен узкой фракции диаметром dit полу- ченной путем рассева на ситах или микроскопическими измерениями, причем dz для каждой узкой фрак- ции. Коэффициент формы равен отношению поверхности сферы к поверхности зерна (элемента) произвольной формы, но такого же объема: ИЛИ di = ]/d1-d2 н/d 2 ^Вн/^нар Рис. VI.3. Коэффициенты формы для элементов насадки (цилиндров и колец) в зависимости от их раз- меров: Н — высота цилиндра; d — диаметр цилиндра; dBH, dHap — диаметр внутренний и наружный кольца. Рр 4,87 V1/» 's~ F ~ F где Fp — поверхность сферы с объемом, равным объему зерна; F — поверхность зерна про- извольной формы. Для сферических зерен <DS=I, а для зерен произвольной фор- мы Ф.5 обычно определяется экспе- риментально из значений Др при Re < 10 и рассчитывается по уравнению (VI.5). Для ориентировочных расчетов принимают следующие значения коэффициентов формы для дисперсных материалов 7: v Ф, (VI-8) типичных ПОЛИ- Материал песок уголь алюмо- уголь антра- щебень, (округ- активи- гель, камен- цит гравий, лый) и рован’ силикат ный, песок галька ный гель кокс (горный) Коэффициент формы 0,8 0,8 0,5 0,45 0,67 0,7 Для насадки в виде цилиндров и колец Рашига значения Ф$ приведены на рис. VI.3. Для определения Др слоев при движении газа в ламинарном и турбулентном режимах можно пользоваться также уравне- нием Эргана 6-7: др = 150(1 —е)2 . FtM j 5 £—£. риФЯ (VI,9) г е3 я2 е3 d3 ' 3 В литературе 7 приводятся и другие более точные эмпириче- ские уравнения, по которым рассчитывается Др для различных типов насадок. 267
ЗЕРНИСТЫЕ НАСЫПНЫЕ ФИЛЬТРЫ В качестве насадки в насыпных фильтрах используются: песок, галька, шлак, дробленые горные породы, древесные опилки, кокс, крошка резины, пластмассы, графита и другие материалы, а также стандартные виды насадок — кольца Рашига, седла Берля, сферы и др. Выбор материалов для насадок обусло- вливается их термической и химической стойкостью, механиче- ской прочностью, доступностью. Распространены природные ма- териалы, встречающиеся в готовом виде, и различные отходы производства. Но чаще насадки готовят специально путем дробле- ния и просеивания для получения требуемых фракций. Основным недостатком насыпных фильтров является их заби- вание вследствие накопления пыли или образования несмываемых отложений и сложность их регенерации. После забивания фильтра шихта обычно удаляется, если промывкой не удается снизить сопротивление фильтра. Для увеличения срока службы и обеспе- чения высокой эффективности осаждения субмикронных частиц фильтрация проводится при низкой скорости, а это связано с гро- моздкостью установок. Несмотря на это, все же удалось путем увеличения глубины слоя создать фильтры долговременного использования с необходимой эффективностью очистки. Зернистые песчаные насыпные фильтры применялись на радио- химических заводах Хенфорда для фильтрации влажных агрес- сивных радиоактивных аэрозолей 9. Глубина слоев песка круп- ностью 0,3—3 мм составляла 1,7 м, причем фильтр состоял из отдельных слоев отсортированного песка с более грубыми фрак- циями расположенных по ходу газовг. Вентиляционные газы из боксов и камер с частицами размером 2гм.в = 0,8 мкм очища- лись с эффективностью 99,7% при очень низкой скорости филь- трации (и = 10-3 м/сек). Установка имела следующие габариты: 33x15x4,2 м. После нескольких лет работы эти фильтры были заменены стекловолокнистыми фильтрами. Глубокие зернистые фильтры в настоящее время используются для стерилизации воздуха при аэробной ферментации в производ- стве пенициллина 10’п. Считают 10, что для фильтра, состоящего из слоя гранул активированного угля с размерами зерен 1,2— 2 мм высотой 1,5 м при скорости фильтрации 0,3 м/сек типичным является проскок одной бактерии (с 2г = 1—2 мкм) на 100 000; Ар слоя при этом составляет 15—20 кн/м2 (1500—2000 мм вод. ст.). В двухступенчатых системах высокоэффективной очистки воз- духа от токсичных и радиоактивных пылей можно исполь- зовать 12-14 в качестве предфильтров зернистые слои, а в качестве замыкающих — фильтры с материалом ФПП. Зернистые фильтры снаряжаются крошкой из резины, винипласта, графита или дре- весными опилками. При накоплении в порах насадки пыли эффек- тивность очистки повышается. В период образования такого 268 эффективно фильтрующего лобового слоя фильтры второй сту- пени работают при повышенной концентрации пыли. Максималь- ный эффект достигается при улавливании конденсационных аэро- золей, частицы которых интенсивно коагулируют в слое. При возрастании сопротивления до предела, допускаемого для венти- лятора, производят рыхление слоя гребковым механизмом. На рис. VI.4 показан зернистый фильтр полочного типа, а на рис. VI.5 — изменение сопротивления фильтра во времени. После ряда циклов рыхления наступает момент, когда этот процесс уже не дает заметного снижения Ар. Тогда насадку ме- / — греб новое устройство; 2 — штуцер для подвода воды; 3 — входной патрубок; 4— зернистый слой; 5 — сетчатое дио полки; 6 — штуцер для шлама; 7 — вы- ходной патрубок. Z Z Z / 7 7 7 У У 7 7 1 Рис. VI .5. Изменение- сопротивления зернистого фильтра при регенерации во времени: т' — цикл фильтрации; Дрн — начальное сопротивление; Дрк — конечное сопротивле- ние. няют или (при улавливании растворимых аэрозолей) промывают водой непосредственно в аппарате. В зависимости от габаритов фильтра рыхление проводят вручную или механически с приводом от электродвигателя. Размер зерен в фильтрах составляет 0,5—2 мм; воздух направ- ляется сверху вниз. Нагрузку по воздуху в зависимости от исход- ной концентрации (zx = 1—20 мг/мъ) принимают от 2,5 до 17,0 ms/(m2-мин)-, начальное сопротивление при этом составляет 50—200 н/м2 (5—20 мм вод. ст.). Высота слоя на сетках 10—15 см. Недостатками такого фильтра, как указывалось, являются: громоздкость установки, сравнительно низкая эффективность и резкое ее изменение во времени. Слоевые гравийные фильтры с вибрационной регенерацией. В 1957 г. фирмой Лурги впервые были использованы в цементной промышленности гравийные фильтры, регенерируемые путем вибрационной тряски зернистого слоя внутри аппарата15-18. Установки состоят из нескольких параллельно включенных камер, соединенных газоходами для неочищенного и очищенного газов (рис. VI.6, а, б). Каждая камера может отключаться враща- ющейся дроссельной заслонкой для регенерации. Принцип работы многосекционных установок такой же, как и в рукавных фильтрах. 269
Гравий находится в стальном контейнере (см. рис. VI.6, б) с сетчатым дном площадью 1,5 л/,2; контейнер установлен на че- тырех пружинах 5 и соединен с вибратором 6 с помощью штока, расположенного в стальном или резиновом сильфонах. Уплотне- ние контейнера в корпусе осуществляется с помощью эластичной ткани, выдерживающей температуру до 350° С (на основе асбеста, обработанного силиконом). Фильтрующая среда состоит из двух слоев: нижнего слоя 4 из стальной токарной стружки или волокнистого материала с ма- а — общий вид фильтра; б — разрез фильтра; 1 — входной патрубок; 2 — люк; 3 — шнек; 4 — слой стружки; 5 — пружина; 6 — вибратор; 7 — слой гравия; 8 —электро- двигатель; 9 — заслоика для очищенного газа; 10 — патрубок для очищенных газов; 11 — клапан продувочного воздуха. лым сопротивлением и слоя 7 толщиной 150 мм из гравия (дроб- леного шамотного огнеупорного кирпича), природного песка или гальки размером от 1 до 6 мм. Если гравий содержит SiO2 95% и выше, то он достаточно устойчив к истиранию. Регенерация забитого пылью зернистого слоя осуществляется после закрытия заслонки 9 очищенного газа и открытия клапана 11 продувочного воздуха, который засасывается вследствие разреже- ния и способствует удалению пыли. Пыль при вибрации контей- нера падает в бункер и удаляется из него шнеком 3. Люки 2 в корпусе и в бункере обеспечивают доступ в камеру для осмотра. Установки содержат от 4 до 42 камер, располагаемых для экономии площади в два ряда. Управление работой фильтров полностью автоматизировано. Гравийные фильтры предназначены для очистки газов от пылей механического происхождения (от дробилок, грохотов, сушилок, 270
мельниц, транспортирующих устройств). Они широко приме- няются при получении цемента, извести, гипса, фосфорных удоб- рений и в других производствах при наличии абразивной пыли и агрессивных газов или веществ, плохо улавливаемых в электро- фильтрах и других пылеуловителях. Но трудноудаляемые пыли в этих фильтрах также нельзя очищать. Нагрузка по газу в зависимости от типа пыли и размера зерен составляет 17—50 м/мин (и = 0,25—0,9 м/сек), сопротивление фильтров находится в пределах 0,5—1,5 кн/м? (50—150 мм вод. ст.). При входной концентрации пыли более 12—20 г/м3 перед этими фильтрами устанавливают циклоны. Остаточное содержание пыли в очищенных газах составляет 10—100 мг/м3; эффективность очистки — 99—99,8%. Слоистые фильтры^Лурги применяются для очистки газов: а) из печей обжига клинкера: температура газов — 350° С, производительность фильтра (32 камеры)—28 м3/сек (100000 м3/ч), остаточная запыленность-—0,1 г/л3; б) из сушилок и мельниц клинкера: установка включает 36 камер и занимает площадь 18,5 л2 (два этажа); = = 12 — 13 г/м3; z2 = 100 мг/м3; т] = 99,5%; Ар = 1,3 кн/м3 (130 мм вод. ст.);. в) из печей обжига известняка: установка состоит из шести камер; производительность 2,22 м3/сек (8000 м3/ч); гх = 12 г/м3; z2 = 80 м.г/м3; Лр= 0,6—0,75 кн/м3 (60—75 мм вод. ст.). Хорошие результаты получены при очистке газов, отходящих из сушилок суперфосфата и в производстве цианамида кальция. Однако при улавливании тонкодисперсной пыли (из закрытых карбидных печей) выходная концентрация пыли была достаточно высокая. В зависимости от вида пыли и ее концентрации продолжитель- ность цикла фильтрации составляет от 2 до 6 ч и более, а цикл регенерации одной камеры — от 15 мин до 1 ч. Орошаемые насыпные фильтры. Многие виды гранулирован- ных материалов, а также кольца Рашига, сферы и другие специаль- ные насадки в течение многих лет применяются для улавливания сухих пылей или жидких частиц из туманов. Улавливание в та- ких насадочных колоннах может происходить за счет диффу- зионно-седиментационного илитурбулентно-инерционного механиз- мов осаждения частиц в слое. Сильверман19 исследовал улавливание тумана серной кис- лоты (2г = 0,5—3 'мкм) слоями дробленого кокса с размером гранул от 6,3 до 9,5 мм [при скорости газа' до 0,05 м/сек и из- менении сопротивления в диапазоне от 0,25 до 2,5 кн/м2 (25— 250 мм вод. ст.). Эффективность улавливания самых мелких фракций при малой скорости фильтрации достигала 99,9%; с увеличением высоты слоя эффективность возрастала. Основной недостаток зернистых фильтров — их громоздкость присуща также 271
и этим фильтрам. Для завода производительностью 30 т!сутки кислоты фильтр должен име^ь диаметр 9—12 м\ срок его службы до забивания пыдьЯ 1 год. Насыпные фильтры, работающие в диффузионно-седимента- ционном режиме, вследствие громоздкости не нашли практиче- ского применения; улавлг вание высокодисперсных туманов более