5.3. Фильтры

Фильтрующие аппараты относятся к наиболее эффективным пылеулавливающим устройствам.

Преимущества фильтров:

— более высокая степень очистки газов от взвешенных частиц, чем в газоочистных аппаратах других типов (фильтры обеспечивают практически полное улавливание частиц всех размеров, включая субмикронные);

— возможность улавливания частиц при любом давлении газов;

— высокая степень очистки при любых концентрациях взвешенных частиц в газах;

— возможность очистки газов, нагретых до высокой температуры;

— использование химически стойких материалов;

— возможность полной автоматизации процесса очистки газов;

— стабильность процесса очистки и меньшая зависимость от изменения физико-химических свойств улавливаемых частиц и расхода газов, чем при использовании других способов;

— простотой эксплуатации.

Недостатки:

— необходимость периодической замены некоторых фильтрующих перегородок;

— сравнительно высокий расход энергии при использовании отдельных видов пористых фильтров;

— громоздкость установок с фильтрами (особенно при большом объемном расходе очищаемых газов);

— относительная сложность эксплуатации.

Применяемые в современных аппаратах фильтрующие пористые перегородки по своей структуре весьма разнообразны, но в большинстве своем они состоят из волокнистых или зернистых элементов, которые условно могут быть разделены на следующие типы.

Гибкие пористые перегородки: тканевые материалы из природных, синтетических и минеральных волокон; нетканевые волокнистые материалы (войлоки, клееные и иглопробивные материалы, бумага, картон, волокнистые маты); ячеистые (губчатая резина, пенополиуретан, мембранные фильтры).

Полужесткие пористые перегородки: слои волокон, стружка, вязаные сетки, расположенные на опорных устройствах или зажатые между ними.

Жесткие пористые перегородки: пористая керамика и пластмасса, спеченные или спрессованные порошки металлов (металлокерамика), пористые стекла, углеграфитовые материалы и др.; волокнистые материалы — сформированные слои из стеклянных и металлических волокон; металлические сетки и перфорированные листы.

Зернистые слои: неподвижные, свободно насыпанные материалы; периодически или непрерывно перемещающиеся материалы.

В зависимости от назначения и допустимой пылевой нагрузки современные фильтры условно разделяются на три класса.

Воздушные фильтры предназначены для обеспыливания атмосферного воздуха в системах приточной вентиляции; кондиционирования и воздушного отопления производственных, служебных и общественных зданий; подачи воздуха на технологические нужды; подстанций агрегатов питания электрофильтров. Разработано много конструкций и фильтрующих элементов, классификация которых приведена в табл. 5.19.

Таблица 5.19

Классификация воздушных фильтров

Класс фильтра	Размер улавливаемых частиц, мкм	Эффективность очистки, %, не менее
III	10	60
II	1	85
I	1	99

Абсолютные фильтры предназначены для улавливания с очень высокой эффективностью (обычно выше 99%) в основном субмикронных частиц из промышленных газов и воздуха при низкой входной концентрации (менее 1 мг/м³). Такие фильтры применяют для улавливания особо токсичных, а также для ультратонкой очистки при проведении некоторых технологических процессов или в особочистных помещениях, где воздух служит рабочей средой.

Промышленные фильтры применяются для очистки промышленных газов в основном с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 г/м³). Для периодического или непрерывного удаления накапливающейся в фильтрующей перегородке пыли, фильтры этого класса имеют устройство для регенерации, позволяющие поддерживать производительность на заданном уровне и возвращать ценные продукты в производство; фильтры этого класса нередко являются составной частью технологического оборудования.

Абсолютные фильтры. К абсолютным фильтрам (высокоэффективным фильтрам или фильтрам тонкой очистки) относятся, в основном, волокнистые фильтры, которые представляют собой слои различной толщины, в которых более или менее однородно распределены волокна (набивные, маты, из бумаги, картона и др.). Для фильтров используют естественные или специально получаемые волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм, а также их смеси. Толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра (бумага) до двух метров (многослойные, глубокие насадочные фильтры долговременного пользования).

Волокнистые фильтры могут быть подразделены на тонковолокнистые, глубокие и груволокнистые фильтры.

Тонковолокнистые фильтры. Тонковолокнистые фильтры служат для улавливания высокодисперсной пыли и других аэрозольных частиц размером 0,05–0,1 мкм с эффективностью не менее 99%. Чаще всего применяют фильтрующие материалы в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметр менее 2 мкм). Скорость фильтрации составляет 0,01–0,15м/с, сопротивление чистых фильтров обычно не превышает 200–300 Па, а забитых пылью фильтров — 700–1500 Па. Улавливание пыли происходит в основном за счет броуновской диффузии и эффекта касания, поэтому очень важно использовать волокна диаметром 0,1–1 мкм. Регенерация отработанных фильтров тонкой очистки в большинстве случаев нерентабельна или невозможна, что является их главным недостатком. Тонковолокнистые фильтры предназначены для длительной работы (в течение 0,5–3 лет) с последующей заменой фильтра на новый.

В качестве тонковолокнистых сред наибольшее распространение получили фильтрующие материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из полимерных смол. Они представляют собой слои синтетических волокон диаметров 1–2,5 мкм, нанесенные в процессе получения на марлевую подложку или «основу» из скрепленных между собой более толстых волокон. Материалы ФП характеризуются высокими фильтрующими свойствами. Малая толщина слоев ФП (0,2–1 мм) дает возможность получать поверхность фильтрации до 100–150 м² в расчете на 1 м³ аппарата.

Рис. 5.38. Рамный фильтр тонкой очистки:

1 — П-образная планка; 2 — боковая стенка; 3 — разделители; 4 — фильтрующий материал

Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна отвечать следующим требованиям: наибольшей поверхностью фильтрации при меньших габаритах; минимальному сопротивлению; возможности более удобной и быстрой установки; надежной герметичности групповой сборки отдельных фильтров. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют распространенные в настоящее время фильтры рамочной конструкции (рис. 5.38). Фильтрующий материал в виде ленты укладывается между П-образными рамками, чередующимися при сборке пакета открытыми и закрытыми сторонами в противоположных направлениях. Между соседними слоями материала устанавливаются гофрированные разделители, чтобы не допустить примыкания их друг к другу. Рамки, разделители, боковые стенки корпуса могут быть из различного материала: фанеры, винипласта, алюминия, нержавеющей стали. Загрязненные газы поступают в одну из открытых сторон фильтра, проходят через материал и выходят с противоположной стороны.

Глубокие фильтры. Глубокие фильтры лишены основного недостатка тонковолокнистых фильтров — короткого срока непрерывной работы. Они представляют собой многослойный фильтр общей высотой 0,3–2,0 м. Диаметр волокон 8–19 мкм. Скорость фильтрации составляет 1 м/с. Первый слой фильтра на пути движения очищаемой среды состоит из грубых волокон, последний из тонких. Основная сфера применения — очистка вентиляционных и технологических газов от радиоактивных частиц, а также в системах стерилизации воздуха в производстве антибиотиков, витаминов и других медицинских аппаратов.

Глубокие фильтры рассчитаны на непрерывную работу в течение 10–20 лет, что подтверждено практикой их эксплуатации. При очистке от радиоактивных веществ, фильтры по истечении всего срока службы захоранивают на месте путем цементирования. При очистке от бактерий, глубокие фильтры стерилизуют острым паром в течении 4 ч, а затем подсушивают путем продувки в течение суток.

Грубоволокнистые фильтры. Основная задача грубоволокнистых фильтров — снижение начальной концентрации аэрозоля при высокоэффективной очистки. Они имеют высокую пылеемкость и значительно дешевле (почти в 10 раз) тонковолокнистых фильтров. В связи с этим, их можно легко заменять или регенерировать.

Оптимальный состав грубоволокнистого фильтра — смесь волокон диаметром от 1 до 20 мкм, причем до 50 % волокон должны иметь размеры до 4 мкм. При скорости фильтрации 0,05–0,1 м/с материал должен почти полностью улавливать частицы крупнее 1 мкм. После частичного забивания пылью, фильтр становится эффективным для частиц субмикронного размера.

Срок службы грубоволокнистого фильтра, до смены или регенерации определяется его пылеемкостью, которая в свою очередь зависит от допустимого гидравлического сопротивления аппарата. Установлено, что при гидравлическом сопротивлении 0,3–0,5 кПа дальнейшая эксплуатация фильтра нецелесообразна. Обычно, при входной концентрации от 0,5–1 мг/м³, смену грубоволокнистых фильтров производят 4–6 раз в год.

На рис. 5.39 представлен фильтр предварительной очистки марки ДСВ. В качестве набивки используется грубое лавсановое волокно диаметром от 15 до 25 мкм; плотность набивки 15–25 кг/м³; толщина слоя — 0,1 м.

Мокрые фильтры-туманоулови­тели. Для улавливания жидких аэрозольных частиц широко применяются волокнистые и сеточные фильтры-туманоуловители, принцип действия которых основан на захвате жидких частиц волокнами при пропускании туманов через волокнистый слой с непрерывным выводом из него уловленной жидкости. Материалами волокон могут быть стекло, синтетика и металлы.

Отличительной особенностью волокнистых фильтров-туманоуловителей являются коалесценция уловленных жидких частиц при контакте с поверхностью волокон, и образование на них пленки жидкости, удаляющейся по мере накопления из слоя в виде струек или крупных капель, перемещающихся внутри слоя и с тыльной стороны под действием силы тяжести. При этом обычно не требуется никаких механических воздействий на фильтрующие слои, т. е. фильтры работают с постоянным сопротивлением в стационарном режиме саморегенерации (самоочищения).

Рис. 5.39. Фильтр предварительной очистки с лавсановой насадкой:

1 — разделительная перегородка; 2 — фильтрующий материал; 3 — сетка; 4 — кожух деревянный

Выгодно отличаясь по всем параметрам от других устройств для улавливания жидких частиц, волокнистые фильтры обладают существенным недостатком — возможностью зарастания при наличии в тумане значительного количества твердых частиц и образование в слое нерастворимых отложений — солей (CaSO₄ , CaCO₃, CaF₂, CaSO₃, и др.).

Несмотря на указанные недостатки, эти аппараты характеризуются высокой степенью очистки, надежностью в работе, простотой в конструкции, монтажа и обслуживания, а главное возможностью обеспечения очистки тонкодисперсных туманов до любой остаточной концентрации. Поэтому, в ряде случаев, туманоуловители являются незаменимыми, а иногда единственными аппаратами для тонкой очистки газов от туманов в технологических процессах получения серы и термической фосфорной кислоты, концентрирования различных кислот и солей упаркой, производства хлор-газа, испарения масел и других органических жидкостей.

В соответствии с основным механизмом осаждения частиц в фильтре, туманоуловители разделяют на низкоскоростные, работающие в режиме осаждения за счет диффузии, касания и использующие тонкие волокна, и высокоскоростные, т. е. инерционные фильтры, как правило, на основе грубых волокон и объемных сеток, а также двухступенчатые.

Низкоскоростные фильтры-тумано­уло­вители. Низкоскоростные фильтры-тумано­уловители (v_г  0,2 м/c), снаряжаются волокнами диаметром 5–20 мкм (меньшие не используются из-за низкой скорости вывода жидкости, быстрого зарастания твердыми примесями) и предназначены для улавливания субмикронных частиц за счет диффузии и эффекта зацепления; эффективность их увеличивается с уменьшением скорости фильтрации, размера частиц и диаметра волокон.

Рис. 5.40. Цилиндрический фильтрующий элемент:

1 — опорная трубчатая перегородка; 2 — уплотняющий патрубок-фланец; 3 — шпилька; 4 — прокладка; 5 — сетки; 6 — стекловолокнистый слой; 7 — дно; 8 — трубка гидрозатвора; 9 — стакан

Для снаряжения низкоскоростных фильтров оптимальной является смесь волокон с определенным соотношением грубых и тонких. Грубые упругие волокна обеспечивают равномерное объемное распределение более тонких, увеличивают скорость вывода жидкости из слоя, придают слою механическую прочность и стабильность, обеспечивая возможность работы более тонким волокнам по всей глубине слоя. Обычно применяются слои смеси волокон диаметром от 5 до 30 мкм с плотностью упаковки 100–200 кг/м³ и толщиной 0,05 м. Характерная конструкция фильтрующего элемента приведена на рис. 5.40. Элемент состоит из двух соосно расположенных цилиндрических элементов сеток из проволоки диаметром 3,2 мм, приваренных к дну и входному патрубку фланцу. Пространство между сетками заполнено стекловолокном. Дно элемента оборудовано трубкой, погруженной в стакан гидрозатвор, из которого жидкость перетекает в корпус.

В зависимости от производительности установок в одном корпусе может монтироваться от 5 до 100 элементов. Габариты наиболее распространенных элементов: диаметр 450 мм, высота 2,4 м. Особое внимание при проектировании аппаратов уделяется выбору конструкционных материалов (пластик, нержавеющая сталь). При температурах выше 50C применяют легированные молибденистые стали. Для изготовления волокон используют стекла специальных составов, лавсан, полипропилен и другие полимеры. Толщина слоя составляет от 5 до 15 см, скорость фильтрации 5–20 см/с. Аэродинамическое сопротивление сухих фильтров составляет 200–1000 Па, а в режиме самоочищения от 1200 до 2500 Па. Максимально допустимая температура для фильтров из стеклянного волокна — 400С.

Высокоскоростные фильтры-тумано­улови­тели. Высокоскоростные фильтры-туманоуловители (v_г  0,51,2 м/с) со слоем грубых волокон, диаметром 20–100 мкм, служащие для выделения из газа частиц крупнее 1 мкм за счет механизма инерционного осаждения, эффективность которого возрастает с увеличением размера частиц и скорости фильтрации до определенной (критической) величины (обычно 2,5 м/c), при которой начинается вторичный брызгоунос уловленной жидкости из слоя в виде крупных капель.

Высокоскоростные тумано-брызгоулови­тели фирмы Monsanto выполняются в виде плоских элементов (рис. 5.41), в которых волокно 2 уложено между двумя плоскими параллельными решетками 3. В установках большой произво­дительности они вмонтированы в многогранный опорный каркас, имеющий снизу поддон конической формы, в который стекает условленная жидкость. Эффективность улавливания частиц размером менее 3 мкм составляет 90–98% при р = 15002000 Па. Снижение проектной скорости фильтрации в этих фильтрах более чем на 20–30% сопровождается резким падением эффективности очистки.

Такие фильтры нашли широкое применение во многих отраслях промышленности, в частности, при производстве серной кислоты, аммиака, метанола, этилена, переработке пластмасс.

Для улавливания жидких частиц при высоких скоростях наиболее благоприятным способом формирования волокнистых слоев является иглопробивной, т. к. при этом волокна сцепляются не только в плоскости слоя, но и переплетаются между отдельными слоями. При этом образуется объемная однородная структура, очень устойчивая к механическим воздействиям, упругая и стабильная в мокром состоянии. Наиболее подходящим материалом является полипропиленовые волокна, обладающие универсальной химической стойкостью.

На рис. 5.42 показан фильтр, снаряжаемый полипропиленовыми и лавсановыми иглопробивными материалами. Цилиндрический фильтрующий элемент установлен в слой уловленной кислоты, находящейся в пространстве, образованном входящим внутрь элемента с патрубком и стенками корпуса фильтра. Фильтрующий элемент представляет собой перфорированный и решетчатый барабан с глухой крышкой. Соосно с ним установлен брызгоулавливающий элемент, имеющий больший диаметр. На решетчатом цилиндре крепится пакет из винипластовых сеток или складчатый грубоволокнистый войлок толщиной 3–5 мм.

Рис. 5.41. Элемент высокоскоростного фильтра:

1 — короб с фланцев; 2 — стеклянное волокно; 3 — сетка

Рис. 5.42. Волокнистый туманоуловитель:

1 — фильтрующий элемент; 2 — фильтрующий материал; 3 — брызгоуловитель; 4 — предварительный каплеуловитель

Рис. 5.43. Волокнистый фильтр ФВГ-Т:

1 — корпус; 2 — кассета с фильтрующим материалом; 3 — люк для промывки; 4 — люк для смены кассеты; 5 — форсунка для промывки шлангом

Грубоволокнистые фильтры с периодической и непрерывной промывкой применяются для очистки тумана и брызг растворов кислот, солей и щелочей при проведении операций травления металлических изделий и гальванопокрытий. На рис. 5.43 представлен фильтр ФВГ-Т, предназначенный для очистки аспирационного воздуха от частиц хромовой и серной кислоты. Внутри корпуса фильтра размещена кассета с фильтрующим материалом, наложенным на каркас и прижатым решеткой (из пруткового материала). Кассета изготовлена в виде вертикально расположенных складок. Установка и смена кассет осуществляется через монтажный люк. Фильтр работает в режиме накопления уловленного продукта на поверхности фильтрующего материала с частичным стоком жидкости. При достижении перепада давления 500 Па фильтр подвергается перио­ди­ческой промывке (обычно 1 раз в течении 15–20 суток) с помощью переносной форсун­ки, вводимой через промывочные люки.

Промышленность выпускает пять типоразмеров подобных фильтров производительностью от 5000 до 80000 м³/ч. При скорости фильтрации 3–3,5 м/с эффективность очистки составляет 96%. Фильтрующий материал — иглопробивное волокно марки Т-2. Кассеты с таким же фильтрующим материалом могут располагаться непосредственно в бортовых отсосах ванн.

Двухступенчатые фильтры-тумано­уловители. Разработаны два основных типа двухступенчатых волокнистых туманоуловителей, различающихся между собой функциями, которые выполняются ступенями. В одном типе установок, в первом по ходу газа фильтре, улавливаются крупные частицы и несколько снижается концентрация тумана. Кроме того, задерживаются твердые взвешенные частицы, загрязняющие туман. Во втором фильтре (обычно низкоскоростном) осуществляется тонкая очистка тумана от высокодисперсных частиц, не уловленных в первой ступени.

В другом типе установок на первой ступени используется тонковолокнистый слой. На его тыльной поверхности, при скорости газа равной или больше критической образуются многочисленные пузырьки, при разрыве которых образуются мелкие капли, уносимые газовым потоком. Вторичные капельки значительно крупнее, в связи с чем, первая ступень является агломератом — укрупнителем частиц всех размеров. На второй ступени используется фильтр-брызгоуловитель. Конструктивно обе ступени фильтра размещаются в едином корпусе.

Сеточные тумано-брызгоуловители. Для очистки грубодисперсных туманов (размер частиц жидкости более 5 мкм) и улавливания брызг применяются каплеуловители, состоящие из пакетов вязаных металлических сеток, которые при высокой нагрузке по улавливаемой жидкости и большой скорости потока устойчиво сохраняют форму и размеры ячеек. Сетки трикотажного переплетения изготавливаются из проволоки диаметром 0,2–0,3 мм, материалом для них служат легированные стали (мягкие сорта), монель-металл, сплавы на основе титана или других коррозионно-стойких металлов, а также фторопластовое и полипропиленовое моноволокно (леска). Размеры ячеек составляют от 5 до 13 мм.

Сетки гофрируют и укладывают в пакеты, толщиной 100–200 мм. Для аппаратов диаметром менее 2 м сетки свертывают в цилиндрические сплошные элементы. Для аппаратов большего диаметра пакеты изготавливают стандартного размера и формы, что позволяет вести монтаж их через люки и легко удалять для очистки (рис. 5.44). Для работы в различных условиях используют пакеты различной плотности — от 112 до 180 кг/м³. Сеточные брызгоуловители устанавливаются как внутри технологических аппаратов, так и в отдельном корпусе.

Для повышения эффективности улавливания тумана предусматриваются две ступени сеточных сепараторов. На нижней ступени устанавливают пакеты с более мелкими ячейками и повышенной плотностью (до 224 кг/м³), которые действуют как укрупнители капель; пакеты второй ступени имеют низкую плотность (96–112 кг/м³). Различная плотность упаковки достигается применением сеток с различной высотой гофр и величиной ячеек в сетках. В нижнем пакете поддерживается режим затопления. При этом улучшается промывка пара или газа, увеличиваются скорость движения капель и их инерционный захват расположенными выше сетками пакета. Практически установлено, что эффективность улавливания тумана на смоченных сетках более высокая, чем на сухих. Расстояние между ступенями обычно составляет около 3/4 диаметра колонны.

Рис. 5.44. Сеточный брызгоуловитель для аппаратов большого диаметра:

1 — опорное кольцо из уголка; 2 — дополнительная опора; 3 — фильтрующий материал

Допустимая скорость движения газа составляет 0,9–6 м/с. Следует отметить, что высокая эффективность сепарации сеточных каплеуловителей сохраняется в диапазоне изменение скорости движения газов от 30 до 110 % оптимальных значений; при этом максимальная концентрация жидкой фазы в парах (газах) не должна превышать 100–120 г/м³. Гидравлическое сопротивление смоченных сеток при исходной концентрации жидкости менее 5 г/м³ в 1,5–2 раза выше, чем сопротивление сухих сепараторов.

При расчетах фильтров-туманоуловителей, как правило, эффективность принимается в соответствии с данными паспортов на уловители. Естественно, что параметры газового потока должны минимально отличаться от тех, при которых определялись паспортные данные. Однако в некоторых источниках приводится порядок расчета туманоуловителя.

Например, в источнике приводится порядок расчета сетчатого брызгоуловителя. Эффективность очистки от капель в сетчатом пакете рассчитывается по формуле

, (5.43)

где Н — толщина пакета, м; N — число сеток в пакете; S_уд — удельная поверхность проволоки в пакете сеток, м²/м³; ' — эффективность очистки воздуха капель определенного размера (фракционная очистка) одной сеткой.

Толщина пакета сеток выбирается в пределах 100–200 мм, а удельная поверхность проволоки в пакете сеток вычисляется по формуле

Рис. 5.45. Зависимость фракционной эффективности очистки тумана от критерия Стокса

, (5.44)

где П — пористость пакета сеток, выбираемая в пределах 0,850,95; d_пр — диаметра проволоки сетки, м (обычно d_пр = 100200 мкм).

Значение ^/ определяется графически (рис. 5.45).

При определении критерия Стокса (см. раздел 4.1) скорость фильтрации рассчитывается по формуле:

. (5.45)

Задаваясь различными значениями размера капель, окончательно определяем эффективность очистки по формуле (5.3).

В качестве туманоуловителей могут использоваться также и мокрые газоочистители и электрофильтры. Сравнительная характеристика туманоуловителей приведена в табл. 5.20 ниже.

Тканевые фильтры. Фильтрация запыленных промышленных газов и аспирационного воздуха в тканевых фильтрах является радикальным техническим решением для достижения эффективного пылеулавливания при относительно умеренных капитальных и эксплуатационных затратах. Возросшие требования очистки газов выявили тенденцию к увеличению доли применяемых тканевых фильтров перед аппаратами мокрой очистки газов и электрофильтрами.