2 Волокнистые фильтры
Волокнистые фильтры представляют собой пористые перегородки составленные из беспорядочно расположенных, однако более или менее равномерно распределенных по объему волокон. В связи с высокой пористостью аэрозольные частицы проникают в глубину пористой перегородки, вследствие этого волокнистые фильтры применяют для фильтрации слабозапыленных потоков с концентрацией пыли не более 5мг/м3.
Волокнистые фильтры применяют для очистки атмосферного воздуха, кондиционирования и воздушного отопления, а также в ряде установок специального назначения. Для создания фильтрующих перегородок используют как естественные так и специально изготовленные волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм, например, отходы текстильного производства, шлаковую вату, стекловолокно, волокна из кварца, графита, различных металлов, полимеров и т.п. Эти фильтры объемного действия, т.к. они рассчитаны на улавливание и накапливание частиц преимущественно по всей глубине перегородки. Сплошной слой пыли образуется только на поверхности наиболее плотных материалов обычно при фильтрации относительно крупных частиц к концу срока службы фильтра.
Для фильтров используют естественные или специально получаемые волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм, например стекловолокно, шлаковую вату, волокна из кварца, базальта, графита. Толщина фильтрующих сред составляет от десятых долей миллиметра (бумага) до двух метров (многослойные).
Различают следующие виды промышленных волокнистых фильтров:
- сухие – тонковолокнистые, глубокие, фильтры грубой или предварительной очистки (грубоволокнистые);
- мокрые фильтры – туманоуловители.
Тонковолокнистые фильтры. Эти фильтры способны обеспечить тонкую очистку больших объемов газов и воздуха от твердых частиц всех размеров, включая субмикронные в атомной энергетике, радиоэлектронике, точном приборостроении, промышленной микробиологии, в химико-фармацевтической и других отраслях. Для улавливания высокодисперсных аэрозолей размером 0,05 – 0,1 мкм с эффективностью не менее 99 % применяют фильтрующие материалы в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон( диаметр менее 2 мкм). Скорость фильтрации составляет от 0,01 до 0,15 м/с, сопротивление превышает 200 – 300 Па, а забитых фильтров пылью от 700 до 1500 Па. Улавливание пыли происходит в основном за счет броуновской диффузии и эффекта касания, поэтому важно использовать волокна от 0,1 до 1 мкм. Регенерация отработанных фильтров тонкой очистки не рентабельна или не возможна, что является их главным недостатком.
Тонковолокнистые фильтры предназначены для работы (в течение 0,5 – 3 лет) с последующей заменой фильтра на новый.
В качестве тонковолокнистых сред наибольшее распространение получили материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из полимерных смол. Они представляют собой слои синтетических волокон диаметром 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 (от 0,2 до 1мм), дает возможность получать поверхность фильтрации до 100 – 150 м2 в расчете на 1 м3 аппарата.
Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна отвечать следующим основным требованиям: наибольшая поверхность фильтрации при наименьших габаритах, минимальное сопротивление, возможность удобной и быстрой установки, надежная герметичность групповой сборки отдельных фильтров. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют распространенные в настоящее время фильтры рамочной конструкции (рисунок 7.4). Фильтрующий материал в виде ленты вкладывают между П–образными рамками, чередующимися при сборке пакета, открытыми и закрытыми сторонами в противоположных направлениях. Между соседними слоями материала устанавливают гофрированные разделители, чтобы не допустить примыкания их друг к другу. В качестве материала для рамок используется фанера, винипласт, алюминий или нержавеющая сталь. Загрязненные газы поступают в одну из открытых сторон фильтра, проходят через материал и выходят с противоположной стороны.
1 – П-образная планка; 2 – боковая пленка; 3 – разделители из гофрированной винипластовой пленки; 4 – фильтрующий материал
Рисунок 7.4 - Схема рамного фильтра тонкой очистки:
Глубокие фильтры, в отличие от тонковолокнистых фильтров, характеризуются долговременным использованием в течение 10 – 20 лет. Они состоят из глубокого внешнего слоя грубых волокон диаметром от 8 до 19 мкм и замыкающего слоя тонких волокон, причем плотность упаковки волокон изменяется по глубине. Многослойные глубокие фильтры имеют высоту фильтрующего слоя от 0,3 до 2 м, диаметр волокон 8 – 19 мкм. Скорость фильтрации составляет 1 м/с.
Глубокие фильтры применяют в системах стерилизации воздуха в производстве антибиотиков, витаминов и других био- и медицинских препаратов, а также для тонкой очистки некоторых видов технологических газовых выбросов. Фильтры периодически стерилизуют острым паром в течение 4 часов, затем просушивают сухим воздухом путем продувки в течении суток.
Фильтры грубой или предварительной очистки (грубовокнистыми) устанавливают перед тонковолокнистыми фильтрами для предварительной очистки воздуха (газов). Благодаря этому снижается стоимость очистки, поскольку стоимость грубоволокнистых фильтров почти в 10 раз ниже стоимости тонковолокнистых, их легче заменять или регенерировать. Фильтровальный материал фильтра грубой очистки состоит из смеси волокон диаметром от 1 до 20 мкм, причем до 50 % волокон имеют размеры менее 4 мкм.
Грубоволокнистые фильтры отличаются низким начальным сопротивлением (порядка 100 Па) и высокой пылеемкостью. При удельной нагрузке от 0,05 до 1 м3/(м2∙с) фильтры должны 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 зависит от предельно допустимой величины сопротивления, устанавливаемого исходя из экономических соображений – сопоставления стоимости энергии, потребляемой вентилятором на преодоление сопротивления фильтра, и затрат на более мощный вентилятор(с повышенным напором) со стоимостью смены фильтра.
Попытки регенерировать грубоволокнистые фильтры промывкой, воздействием ударных волн, отсасыванием пыли вакуумом не дали положительных результатов. Поэтому при входной концентрации от 0,5 до 1 мг/м3 смену грубоволокнистого фильтра производят 4 – 6 раза в год.
На работе фильтров особенно неблагоприятно отражается содержание в газе частиц гигроскопичных солей, а также конденсация паров воды в фильтрующем слое, а также конденсация паров воды в фильтрующем слое, так как при этом образуются отложения в виде непроницаемой корки, что приводит к выводу фильтра из строя.
Мокрые фильтры – туманоуловители используются в производстве серной и термической фосфарной кислоты, хлор-газа, при концентрировании различных кислот и солей путем упарки, при испарении масел и других органических жидкостей, а также при получении и переработке аммонийных солей и др.
Для улавливания жидких аэрозольных частиц применяют волокнистые и сеточные фильтры – туманоуловители, принцип действия которых основан на захвате частиц волокнами при пропускании туманов через волокнистый слой с непрерывным выводом из него уловленной жидкости. Материалами для волокон могут быть стекло, синтетика и металлы. Отличительной особенностью волокнистых фильтров – туманоуловителей являются коалесценция(слияние капель) 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).
Выгодно отличаясь по многим параметрам от других устройств для улавливания жидких частиц, волокнистые фильтры обладают существенным недостатком: возможностью зарастания при наличии в тумане значительного количества твердых частиц и при образовании в слое нерастворимых отложений – солей (CaSO4, СаСО3, СаF2, СаSО3 и др.) за счет взаимодействия солей жесткости воды с газами (CO2, SO2, HF и др.).
Несмотря на указанные недостатки, эти аппараты характеризуются высокой степенью очистки, надежностью в работе, простотой конструкций, монтажа и обслуживания, а главное – возможностью обеспечения очистки тонкодисперсных туманов до любой остаточной концентрации.
Улавливание жидких частиц сопровождается сложными вторичными процессами в слое, в результате чего структура его существенно изменяется. Захваченные волокнами капельки растекаются по их поверхности с образованием пленки, толщина которой увеличивается, становится неустойчивой и распадается на отдельные капли, которые скатываются по волокнам в места изгибов и скрещивания волокон под действием сил тяжести и лобового трения в потоке газов. Кроме того, происходит миграция жидкости в пленках на волокнах из малых капель.
Вследствие действия капиллярных сил соседние волокна могут слипаться, в результате исчезают отдельные мелкие волокна в недостаточно упругих материалах и образуются более крупные поры. В то же время часть мелких пор заполняется жидкостью, что приводит к – увеличению истинной скорости газов, в более крупных порах слоя. Таким образом, накопление жидкости приводит к значительному изменению строения волокнистого слоя, вызывая падение эффективности улавливания частиц и рост сопротивления фильтра. Непрерывный рост сопротивления и падение эффективности по мере накопления жидкости продолжаются до тех пор, пока фильтрующий слой не войдет в стационарный режим самоочищения. После этого количество жидкости удерживаемой в слое и стекающей из него, остается постоянным во времени при неизменных параметрах скорости фильтрации и концентрации веществ, а количество мигрирующей жидкости равно количеству жидкости, осажденной слои из тумана.
Перемещение уловленной жидкости в слое происходит под действием гравитационных, аэродинамических и каппилярных сил. Относительная роль каждой из составляющих сил зависит от структуры волокнистого слоя, скорости фильтрации, расположения слоя в пространстве и многих других факторов. Структура слоя в основном обусловливает локальное накопление жидкости и формирование определенных путей и скорости вывода её из слоя. Капиллярные силы не только удерживают жидкость в слое, но и перемещают ее по слою в места с наибольшей плотностью упаковки волокон. Чем больше плотность упаковки слоя и меньше диаметр волокон, тем большее количество жидкости удерживается в слое.
В рыхлых материалах из тонких и неупругих волокон диаметром менее 5 мкм происходит сильное насыщение слоя. При этом образуются новые капельки – возникает генерация вторичного аэрозоля. Образование многочисленных пузырьков на тыльной поверхности и в глубине тонковолокнистого слоя и их разрыв приводят к образованию мелких частиц, уносимых газом. В результате сопротивление очень резко возрастает, а эффективность очистки падает, и только снижение насыщенности жидкостью слоя может привести к уменьшению выходной концентрации. Этого можно добиться уменьшением входной концентрации и скорости фильтрации, использованием толстых и пористых слоев с более крупными и упругими волокнами в слое, вертикальным расположением слоя, однонаправленной упаковкой волокон в слое, а иногда и принудительным отводом жидкости из замыкающего слоя. Вторичные капельки обычно крупнее, чем частицы в тумане. Таким образом, волокнистый фильтр, работающий в режиме генерации вторичного аэрозоля иногда может случить укрупнителем высокодисперсных частиц. Этот эффект используют при создании двухступенчатых фильтров для улавливания мелких частиц при высокой скорости фильтрации на первой ступени с последующим доулавливанием крупных капель в более простых сеточных брызгоуловителях.
Низкоскоростные фильтры – туманоуловители снаряжаются волокнами диаметром от 5 до 20 мкм с пористостью от 88% до 92 %. и предназначенны для улавливания субмикронных частиц за счет броуновской диффузии и эффекта зацепления; эффективность их увеличивается с уменьшением скорости фильтрации, размер частиц и диаметра волокон.
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 из смеси волокон диаметром от 5 до 30 мкм с плотностью упаковки от 100 до 200 кг/ м3 и толщиной 0,05 м.
Особое внимание при проектировании аппаратов уделяется выбору конструкционных материалов (пластик, нержавеющая сталь). При температурах выше 50 °С 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 от 5 до 20 см/с. Аэродинамическое сопротивление сухих фильтров составляет от 200 до 1000 Па, а в режиме самоочищения – от 1200 до 2500 Па. Максимально допустимая температура для фильтров из стеклянного волокна–400°С.
Высокоскоростные фильтры–туманоуловители (υr ≤ 0,5 – l,2тм/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 2,5им/с), при которой начинается вторичный брызгоунос уловленной жидкости из слоя в виде крупных капель;
Высокоскоростные тумано – брызгоуловители выполняются в виде плоских элементов (рисунок 7.5), 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 уловленная жидкость. Эффективность улавливания частиц размером менее 3 мкм составляет 90 – 98% при давлении от 1500 до 200 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.
1 – короб с фланцем; 2 – стекловолокно; 3 – решетка
Рисунок 7.5.- Элемент высокоскоростного фильтра:
Для улавливания жидких частиц при высоких скоростях наиболее благоприятным способом формирования волокнистых слоев является иглопробивной, так как 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 являются полипропиленовые волокна, обладающие универсальной химической стойкостью.
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.