18. Фильтры
Фильтр - аппарат, в котором с помощью фильтрующей перегородки осуществляется разделение, сгущение или осветление неоднородных систем, содержащих твердые, жидкие или газообразные фазы.
В основе работы пористых фильтров всех видов лежит фильтрация запыленного газа через пористую перегородку, в процессе которой частицы пыли, взвешенные в газе, задерживаются перегородкой, а газ беспрепятственно проходит сквозь нее.
Скорость процесса фильтрации определяется перепадом давления на пористой перегородке, создаваемым вентилятором или другим побудителем тяги. По мере накопления уловленных частиц сопротивление движению газа непрерывно возрастает, в связи с чем при сохранении постоянного перепада давления на пористой перегородке скорость фильтрации непрерывно уменьшается. для поддержания постоянной скорости фильтрации необходимо непрерывно увеличивать перепад давления на пористой перегородке. В обоих случаях при достижении некоторого предельного сопротивления перегородку приходится подвергать регенерации, т.е. освобождению от уловленной пыли.
Они могут представлять собой зернистые слои, металлические сетки, керамику и металлокерамику, волокнистые материалы, бумагу, ткани.
Процесс фильтрации можно условно разделить на две стадии. На первой начальной стадии (стационарная фильтрация) осажденные частицы накапливаются внутри пористой перегородки в незначительном количестве, что практически не меняет ее структуры. На второй стадии процесса (нестационарная фильтрация) вследствие большого количества осажденных частиц пористая перегородка претерпевает непрерывные, структурные изменения.
Основным свойством пористой перегородки является пористость ɛ, представляющая собой отношение пустого пространства (объема пор) между твердыми непроницаемыми элементами пористой среды к общему объему, занятому пористой средой. Величину объема твердых элементов фильтрующей перегородки, заключенную в единице объема пористой среды, называют плотностью упаковки .
Под скоростью фильтрации (wф, м/с) понимают условную скорость, получаемую как отношение объемного расхода газа Vг, проходящего через фильтр, к полной площади фильтрующей перегородки F.
Важной характеристикой пористой перегородки является пылеемкость, которая представляет собой количество пыли, задерживаемое фильтром за период непрерывной работы, т.е. между двумя очередными регенерациями.
Критерием пылеемкости является интенсивность роста удельного сопротивления
, (5.7)
где 
р1,
р2
– начальное и конечное сопротивление
фильтра, Па;
При улавливании мелких частиц пылеемкость фильтра оказывается всегда меньше, чем при улавливании крупной пыли.
Классификация фильтров основана на типе фильтровой перегородки, конструкции фильтра и его назначении, тонкости очистки и др.
По типу перегородки бывают: с зернистыми слоями (неподвижные свободно насыпанные зернистые материалы, псевдоожиженные слои); с гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина, пенополиуретан и др.); с полужесткими пористыми перегородками (вязаные и тканые сетки, прессованные спирали и стружка и др.).
Волокнистыми фильтрами называют пористые перегородки, составленные из беспорядочно расположенных, однако более или менее равномерно распределенных по объему волокон, каждое из которых принимает участие в осаждении аэрозольных частиц.
В связи с высокой пористостью (0,1) аэрозольные частицы легко проникают в глубину пористой перегородки и фильтрация их осуществляется всем объемом загрузки фильтра.
Регенерация отработавших волокнистых фильтров в большинстве случаев затруднена и нерентабельна. По окончании срока службы отработавшую фильтрующую среду заменяют новой.
Вследствие этого волокнистые фильтры применяют главным образом для фильтрации слабозапыленных потоков с концентрацией пыли не более 5 мг/м3. Волокнистые фильтры широко применяют для очистки атмосферного воздуха в системах приточной вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления, а также в ряде установок специального назначения.
Основной отличительной чертой этих фильтров является высокая эффективность задержания мельчайших, в том числе и наиболее проникающих частиц при сравнительно низком аэродинамическом сопротивлении.
Типом тканевого фильтра является рукавный фильтр, 20,а. Главным элементом такого фильтра является рукав, изготовленный из фильтровальной ткани. Корпус фильтра разделен на несколько герметизированных камер, в каждой из которых размещено по несколько рукавов. Газ из газопровода грязного газа подводится в нижнюю часть каждой камеры и поступает внутрь рукавов. Фильтруясь через ткань, газ проходит в камеру и через открытый выпускной клапан выходит из нее, поступая в газопровод чистого газа. Частицы пыли, содержащиеся в грязном газе, оседают на внутренней поверхности рукава, в результате чего сопротивление рукава проходу газа постепенно увеличивается. Когда оно достигнет некоторого предельного, по условиям тяги, значения, фильтр переводится на режим регенерации (рис. 20, б), т.е. рукава освобождаются от осевшей на них пыли. Наиболее часто регенерация осуществляется обратной продувкой. Продувочный воздух от специального вентилятора направляют внутрь камеры, через открытый продувочный клапан (выпускной клапан закрыт). Фильтруясь через рукав в обратном направлении, он разрушает слой пыли, образовавшийся на внутренней поверхности рукава, которая падает в бункер, откуда удаляется при помощи шнека или другого устройства. Отработавший продувочный воздух через подводящий газ патрубок поступает в газопровод грязного газа. В целях повышения эффективности регенерации одновременно встряхивают рукава с помощью специального встряхивающего механизма, перемещающего вверх и вниз крышку, к которой крепится рукав.
Р
ис.
20. Схема рукавного фильтра: 1 – газопровод
грязного газа; 2 – рукава; 3 –
корпус секции; 4 – воздухопровод
продувочного воздуха; 5 –
газопровод чистого газа; 6 – механизм
встряхивания; 7 – клапан; 8 – бункер
Регенерацию ткани рукавов выполняют различными способами. Наиболее старый и распространенный способ, описанный выше, заключается в обратной продувке воздухом со встряхиванием. Достаточно хорошие результаты дает импульсная регенерация с подачей импульсов сжатого воздуха внутрь рукава
Зернистые фильтры с неподвижным фильтрующим слоем. В зернистых фильтрах фильтрация газа идет через слой зернистого материала – гравия, шлака, разных дробленых материалов, колец Рашига и т.п. При малых скоростях газа, мелкодисперсной пыли и малой запыленности преобладающее значение имеет пылезадержание всем объемом загрузки. При высоких скоростях фильтрации, крупной пыли и большой запыленности частицы в меньшей степени проникают в глубину слоя, и процесс фильтрации происходит в основном в поверхностном слое. В большинстве случаев сочетаются оба вида фильтрации. Эффективность осаждения, как и в фильтрах любого типа, определяется действием механизмов касания, инерции диффузии, гравитации и электростатики.
Фильтры с движущимся фильтрующим слоем. Стремление упростить процессы регенерации привело к созданию конструкций фильтров с движущимся зернистым слоем. Наиболее перспективны конструкции с вертикальным расположением слоя, при котором движение слоя осуществляется за счет силы тяжести. В таком фильтре при работе питателя загрязненные слои фильтра
Металлокерамические фильтры. изготовляют из металлических порошков различных металлов и сплавов методом прессования или прокатки с последующим спеканием. Вследствие этого габаритные размеры металлокерамических фильтров велики и в настоящее время их применяют только для небольших расходов газа.
Эффективность металлокерамических фильтров очень высока, они способны полностью задерживать частицы размером до 1 мкм. Это объясняется тем, что на твердой поверхности образуется плотный лобовой слой пылевых частиц без трещин и каверн с высотой пылезадерживающей способностью.
Регенерация металлокерамических фильтров трудна, частицы пыли, застревающие в порах фильтров, удаляются либо обратной продувкой, либо импульсами сжатого воздуха давлением 600 – 1000 кПа.
Установка металлокерамических фильтров рекомендована для тонкой очистки небольших объемов запыленного газа.