36.Фильтры. Процессы фильтрования. Эффективность очистки. Классификация.

Фильтры широко используются в промышленности для тонкой очистки вентиляционного воздуха от примесей, а также для промышленной и санитарной очистки газовых выбросов.

Процесс фильтрования состоит в задержании частиц примесей на пористых перегородках при движении дисперсных сред через них (см. рисунок 2.34).

Осаждение частиц на поверхность пор фильтроэлемента происходит в результате совокупного действия эффекта касания, а также процессов диффузионного, инерционного и гравитационного осаждения частиц.

Рисунок 2.34 – Схема процесса фильтрования:

1 – корпус; 2 – фильтроэлемент; 3 – слой, который образуют примеси на поверхности перегородки

Эффект касания возникает при условии соприкосновения частиц примесей с поверхностью волокон, зерен или других элементов, образующих поверхность пор. Соприкосновение происходит при условии, что траектория частиц примесей проходит от поверхности пор на расстоянии, равном или менее радиуса частицы.

Этот процесс протекает по всему объему порового пространства.

Эффективность очистки касанием _к определяется соотношением характерных размеров пор d_п и частиц d_ч.

При d_чd_п наблюдается отсеивание частиц входной поверхностью фильтра (ситовый эффект) с образованием слоя осадка.

Процесс осаждения частиц на поверхность пор за счет броуновской диффузии обусловлен хаотическим тепловым движением молекул газа постоянно соударяющихся с частицами примесей. Чем меньше частицы и меньше скорость их движения, тем эффективнее протекает процесс захвата частиц за счет броуновской диффузии.

Эффективность в упрощенном виде определяется по формуле

, (2.112)

где k – коэффициент, характеризующий материал фильтра;

d_п – характерный размер порогового пространства;

_ – скорость фильтрации.

Процесс захвата частиц за счет броуновской диффузии становится заметным при d_ч<0,1мкм и скорости их движения менее 1 м/с.

Процесс инерционного осаждения частиц примесей на поверхности пор фильтроэлемента происходит из-за воздействия на частицы сил инерции, возникающих при отклонении линии тока от прямолинейного движения.

Инерционный эффект осаждения частиц зависит от величины критерия Стокса и критерия Рейнольдса

, (2.113)

где

- критерий Стокса,

 _ч – плотность частиц;

k _к – поправка Кенингема - Милликена [15] на скольжение.

Возникновение режима инерционного осаждения частиц на поверхности пор фильтроэлемента характеризуется числом St_кр; при St< St_кр η_u=0.

Для условий вязкого обтекания цилиндра при Re=0,1 St_кр=4,3 ± 0,1.

Рост числа Рейнольдса газового потока приводит к снижению значений St_кр до 0,1…1,2.

Процесс гравитационного осаждения частиц на поверхности пор может происходить со скоростью их витания.

Эффективность очистки для цилиндра расположенного горизонтально, поперек потока равна

, (2.114)

где Fr = W_В / d_ц – критерий Фруда;

W_Ф – скорость витания частиц;

d_ц - диаметр цилиндра .

В реальных фильтрах вследствие малых скоростей витания частиц по сравнению со скоростью фильтрации гравитационный механизм осаждения частиц не играет заметной роли.

Общая эффективность очистки газового потока η с учетом всех рассмотренных процессов осаждения частиц на поверхности пор:

. (2.115)

Процессы осаждения частиц на поверхности пор зависят от размера частиц примесей, скорости фильтрации; размеров пор фильтроэлемента; состояния поверхности пор; параметров газового потока и др.

Эти условия влияют на общую эффективность очистки газа (или коэффициент проскока) на фильтроэлементе.

Опыты, проведенные на фильтроэлементах из стеклянных волокон размером 1,5мкм, указывают на экстремальный характер зависимости коэффициента проскока К частиц от их размера и скорости фильтрации.

Классификация фильтров основана на следующих признаках: типе фильтровальной перегородки, конструкции фильтра и его назначении, тонкости очистки и др.

По типу перегородки фильтры делятся на следующие:

1) с зернистыми слоями (неподвижные свободно-насыпные зернистые материалы);

2) с гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина и др.);

3) с полужесткими пористыми перегородками (стружка, прессованные спирали и др.);

4) с жесткими пористыми перегородками (пористая керамика, пористые металлы и др.).

Фильтрующие зернистые слои используют для очистки газов от крупных примесей, пыли механического происхождения.

Широко используются для изготовления фильтроэлементов хлопчатобумажные и шерстяные ткани, синтетические ткани и войлоки.

Для тонкой очистки газов от примесей часто используют нетканый материал. Для ультратонкой очистки применяют перхлорвинил, фтор полимеры и др.

Одним из распространенных фильтрующих материалов являются проволочные сетки, изготовленные из низкоуглеродистых и высоколегированных сталей, меди, латуни, бронзы, никеля и др. Они могут работать в широком диапазоне температур 0…1000К в агрессивных и неагрессивных средах. Уменьшение размеров ячейки сетки повышает точность очистки, однако ведет к повышению её гидравлического сопротивления.

Расчет гидравлического сопротивления фильтрующих элементов из сеток проводят по известным формулам с учетом данных, приведенных в таблице 2.14. Пример расчета фильтров приведен в приложении.

В настоящее время созданы фильтрующие элементы из пористой керамики, а также из пористых металлов различных типов.

Пористым металлическим фильтрующим элементам свойственны достаточно высокая прочность и пластичность, они хорошо сопротивляются резким колебаниям температур, технологичны: свариваются, допускают пайку и механическую обработку на металлорежущих станках.

По конструктивному признаку, воздушные фильтры делятся на ячейковые и рулонные.

Для очистки воздуха в системах вентиляции обычно используют ячейковые фильтры. Они представляют собой рамку или каркас с фильтрующими элементами, выполненными из набора металлических сеток (фильтры Рекка-ФяР), винипластовых сеток (ФяВ), пенополиуретана (ФяП), упругого стекловолокна (ФяУ), войлока и др.

Недостатки ячейковых фильтров:

• быстрое засорение фильтрующего элемента;

• образование слоя осадка на его входной части.

Для рулонных фильтров (рисунок 2.37) применяют различные ткани, которые обычно не регенерируются

Рисунок 2.37 – Рулонные фильтры:

а – фильтры обычного типа; б – фильтры компактные.

1 – каркас; 2 – падающий барабан; 3 – приемный барабан; 4 – фильтрующая ткань; 5 – направляющие рамки