Лабораторна робота №10
ТЕМА: РОЗРАХУНОК ФІЛЬТРІВ ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ ЗВАРЮВАЛЬНИХ АЕРОЗОЛІВ
Мета: набути практичних навиків розрахунку основних параметрів фільтру для очистки газоповітряних викидів від газопилових домішок.
Теоретична частина
Зварка електродуги, електрорізка і наплавлення металів супроводжуються виділенням газів і зварювального пилу. Їх основні джерела − електроди, флюси, наплавлювальні суміші. Проби на склад аерозолів показали, що пил складається з оксидів заліза, марганцю, кремнію і деяких інших. У табл. 1 приведений хімічний склад пилу, що утворюється при зварці електродами.
|
|
|
|
|
|
Таблиця 1 |
|
Марка |
MnO2 |
SiO2 |
Fe2O3 |
CrO3 |
Ni |
|
Ti |
електродів |
|
|
|
|
|
|
|
УОНІ-13/45 |
4,4 |
7,06 |
47,2 |
0,0013* |
- |
|
- |
ОММ-5 |
5,5 |
4,58 |
35,8* |
- |
- |
|
- |
Аустенітні |
3,4 |
- |
43,2 |
3,4 |
2,0 |
|
16* |
ЦМ-7 |
8,6 |
4,2* |
- |
- |
- |
|
- |
* − Решту кількості виділень (до 100% за масою) складають оксиди азоту, вуглецю і інші гази.
При розрахунку фільтрів для очищення зварювальних аерозолів необхідно враховувати, що частинки оксидів, в основному, мають розмір від 10-3 мкм до 1 мкм. Аналіз дисперсного складу розрахунковим методом показує, що зварювальний пил складається на 99% з частинок розміром до 1 мкм. Близько 1% складають частинки до 5 мкм, а частинки розміром більш, ніж 5 мкм – десяті долі відсотка.
Для очищення таких аерозолів застосовуються фільтри, що складаються з фільтроелементів грубого і тонкого очищення при їх послідовному з’єднанні. Уловлювання частинок розміром 1 мкм і більших (грубе очищення) можливо фільтроелементами з пористих металів, а частинки з розміром менш ніж 1 мкм ефективно затримують фільтрувальні матеріали типу ФП (фільтри Петрянова). Проте фільтроматеріали типу ФП якісно працюють при концентраціях твердих частинок в аерозолі не більше 1 мг/м3.
Для розрахунку фільтроелементів в якості початкові даних приймають:
-витрата газу Q, нм3/год, з урахуванням того, що від постійних місць газополум’яної обробки дрібних деталей місцевими відсмоктуваннями зазвичай відводиться 1700…2500 м3/год, а від постів різання кисневого флюсу і різання високомарганцевої сталі на 1 мм товщини різа – 250...500 м3/год газу;
-загальну концентрацію пилових домішок у фільтрованому газі q0 мг/м3. Причому q0=q1+q2, де q1 – концентрація домішок з розміром частинок від 1 мкм і вище, q2 – концентрація домішок з розміром частинок менша, ніж 1 мкм. Після проходження фільтру грубого очищення до фільтроелементу тонкого очищення газ підходить з концентрацією пилу, яка визначається за формулою:
q’2 = q2 + q’1,
де q’1 – частка пилу з розміром частинок 1 мкм і більше, що проходить через фільтр грубого очищення. У цій формулі умовно прийнято, що фільтр грубого очищення володіє нульовою ефективністю вловлювання частинок розміром менше 1 мкм.
Значення q’1 визначають за формулою: q’1 = q1(1 - η1),
де η1 – ефективність вловлювання частинок фільтром грубого очищення.
Після проходження фільтроелементу тонкого очищення в газі міститься пил з концентрацією частинок q3. Для фільтроматеріалів типу ФП величина відношення q3/q’3 зазвичай складає 0,0001…0,1 залежно від дисперсії твердої фази аерозолю і умов експлуатації фільтру.
Розрахунок фільтру виконують для визначення а) типу фільтроматеріалів за заданою ефективністю очищення і площею фільтрування, за величиною витрати газу і допустимого початкового перепаду тиску на фільтрі; б) часу безперервної праці до регенерації фільтру за величиною кінцевого перепаду тиску на фільтрі. Визначивши вказані параметри, конструюють фільтр.
а) Фільтр грубої очистки. Фільтроелементами такого фільтру можуть служити пористі матеріали з порошкових металів або пористі сітчасті метали. Розрахунок фільтроелементу грубого очищення з порошкового пористого металу проводять при наступних початкових даних: витрата фільтрованого газу Q, м3/год, і його фізичні характеристики; концентрація пилу до фільтроелементу q, мг/м3; середній розмір частинок dср, мкм; тонкість очищення dто абс, мкм; початковий гідравлічний опір фільтроелементу Рпоч, Па; кінцевий допустимий гідравлічний опір фільтру з умов роботи
загальної пневмосистеми (ΔРкін)доп, Па; час безперервної роботи фільтроелементу τк; густина речовини високодисперсних аерозолів ρ1, г/см3. За даними для зварювальних аерозолів ρ1 = 1…4 г/см3.
б) Фільтр тонкої очистки. В якості фільтроматеріалу тонкого очищення розглянемо матеріал ФПП-25-3,0. Початкові дані для розрахунку: витрата фільтрованого газу Q, нм3/ч (див. попередній розрахунок); концентрація пилу, що пройшов фільтр грубого очищення, q’1, мг/м3 (див. попередній розрахунок); концентрація високодисперсного пилу q2, мг/м3; допустимий коефіцієнт проскакування по найбільш проникаючих частинках Кдоп.
|
Порядок виконання роботи: |
|
|
Розрахунок фільтру грубої очистки: |
|
|
|
1. |
За заданою точністю очищення |
dто абс |
визначаємо |
максимальний розмір пор фільтроелементу за формулою: |
|||
2. |
dПmax=dп max∙dто абс, мкм |
(1) |
величини |
Задаючи значення пористості П |
в межах |
||
П=0,3...0,5 і вид пористого матеріалу (наприклад, бронза, сталь), визначаємо середній розмір пор фільтроелементу визначаємо за виразом:
dПср=dПmax/0,8·П-0,3, мкм (2)
3. Для обраного матеріалу (наприклад, СТ 50Х; форма частинок – пелюсткова) визначаємо розмір фракції порошку в межах 1…1000 мкм за формулою:
dо ср= dПср/П2, мкм |
(3) |
4.Вибираємо товщину фільтроматеріалу з умов міцності і технологічності в межах h=0,25...2 мм.
5.Визначаємо площу фільтроелементу за формулою:
FФ |
|
Q |
, м2 |
(4) |
W n П |
|
|
||
|
|
|
|
6. Кінцевий опір фільтроелементу розраховуємо за формулою:
Pкін Рпоч 1 е А1 В h
|
А1 |
q1 к |
1 |
|
|
|
|
e |
|
|
|
h / h, Па (5) |
|
|
А В |
|||||
|
|
|
||||
|
|
1 |
|
|
||
де В=П(1-Пф)/Wф; Wф=WП·П – швидкість газу перед фільтроелементом (швидкість фільтрації); Пф=0,5 – пористість осаду, що осів в порах; А1 = 5,25∙103, 1/с − дослідний коефіцієнт; q1=q/ρ1 – об’ємний вміст твердих частинок; τк – час роботи фільтру, с.
При значенні Ркін>( Рпоч)доп розрахунок необхідно повторити, задаючи інші значення Рпоч, h, П, або, якщо відмінність незначна,
можна уточнити час τк. При Ркін<( Рпоч)доп можна уточнити час τк, прийнявши Ркін= ( Рпоч)доп.
7. Середній за час роботи фільтру об’ємний вміст твердих домішок в потоці газу за фільтром грубого очищення визначається за формулою:
|
q1ср ln |
eA1 q1 к |
1 еA1 В h |
/ A1 |
к . |
|
|
|
eA1 B h |
(6) |
|||
8. |
Середній масовий вміст твердих домішок в потоці газу, які |
|||||
пройшли фільтроелемент без урахування g2, дорівнює: |
|
|||||
9. |
|
q’1=q’1ср·ρ г/см3. |
|
(7) |
|
|
Ефективність очищення дорівнює: |
|
|
||||
|
η1=(q1-q’1ср)=(q1-q’1ср)/q1. |
(8) |
|
|||
Розрахунок фільтру тонкої очистки: |
|
|
||||
1. |
Визначаємо концентрацію частинок пилу перед фільтром |
|||||
тонкого очищення за формулою: |
|
|
|
|||
|
|
q’2=q2+q’1, |
(9) |
|
|
|
при цьому q’2<1 мг/м3. |
|
|
|
|
||
2. Задаємо швидкість фільтрації Wф для фільтроелементу тонкого очищення. Значення рекомендованої швидкості фільтрації складає 1…5 см/с. В окремих випадках допустиме збільшення швидкості фільтрації до 10…20 см/с. При цьому втрати тиску Рv на фільтроелементі з матеріалу ФП можна розраховувати за формулою:
Рv=Wф Р1, |
(10) |
де Р1 – втрати тиску на фільтроелементі при швидкості Wф=1 см/с. Це значення вказане на марці фільтрувального матеріалу ФП, наприклад, фільтр Петрянова з перхлорвінілових волокон шириною 2,5 мкм і перепадом тиску Р1≈30 Па при 3 мм вод. ст. (ФПП-25-3,0).
За швидкістю Wф і величиною Q знаходимо площу фільтрації фільтроелементу за формулою:
Fф=Q/Wф. (11)
3.За величиною швидкості фільтрації визначаємо розмір найбільш проникаючих через матеріал ФП частинок за графіком. Мінімум на графіку відповідає розміру найбільш проникаючих частинок.
4.За розміром найбільш проникаючих частинок і швидкістю фільтрації знаходимо коефіцієнт фільтрувальної дії, α.
5.За значенням α обчислюємо коефіцієнт проскакування за найбільш проникаючими частинками для шару фільтроматеріалу ФП при стандартному опорі Р1 (при цьому вважають, що фільтроматеріал електрично не заряджений), використовуючи формулу:
К1=10-αΔР1. |
(12) |
||
6. Обчислюємо величину стандартного опору фільтроматеріалу |
|||
при Wф=1 см/с за допустимим коефіцієнтом проскакування Кдоп і |
|||
значенням α за формулою: |
|
||
P1 0 |
lg K доп . |
(13) |
|
|
|
|
|
|
|
||
7. Відношення величини стандартного опору (ΔР1)0 до стандартного опору одного шару ФП Р1 визначає число шарів фільтроматеріалу ФП за формулою:
Z=(ΔР1)0/ΔР1. (14)
Округляємо значення Z у вищий бік до цілого числа Z0.
8.Розраховуємо остаточне значення величини проскакування
зурахуванням округлення числа шарів до цілої величини за формулою:
К=10-α(ΔР1)Z0, (15)
де ( Р1)Z0= Р1∙Z0 – стандартний опір Z0 шарів ФП.
9. Розраховуємо термін служби фільтроматеріалу τТ. Для цього заздалегідь розраховуємо масу осаду на фільтрі за одиницю часу, виходячи з умови повного осадження частинок з розміром, відмінним від розміру найбільш проникаючих частинок, за
формулою: |
|
|
|
. (16) |
|||
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
G |
q |
(1 K ) |
|
||||
2 |
|
||||||
|
|
|
FФ |
|
|
|
|
Тоді τТ можна визначити із співвідношення:
|
|
|
|
|
T |
|
Gзаг |
год, (17) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
G |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
де |
G |
заг − |
питома максимально допустима маса осаду на ФП |
|||||||
( |
|
заг 500 |
... 50 г/м2). |
|
|
|
|
|
||
G |
|
|
|
|
|
|||||
10. Підвищення перепаду тиску Р0 на фільтрі при утворенні осаду визначають з умови, що при Wф=1 см/с за весь термін роботи збільшення перепаду тиску не перевищує 50...100 Па. При швидкості фільтрації Wф>1 см/с зростання перепаду тиску, вважаючи Р01=100 Па при Wф=1 см/с, можна визначити за формулою:
Р0=Wф Р01. |
(18) |
Тоді загальний опір фільтру |
тонкого очищення РТ з |
урахуванням утворення осаду обчислюємо за формулою: |
|
РТ=ΔРФ+ΔР0, |
(19) |
де РФ=ΔР1∙Z0∙WФ – втрати тиску в розрахованому фільтрі тонкого очищення з числом шарів фільтроматеріалу Z0 при швидкості фільтрації WФ.
11. Розрахункову ефективність очищення можна визначити за формулою:
η=1-К (20)
і порівняти з ефективністю, що наводиться в табл. 2, очищення вентиляційних викидів для матеріалу ФП при швидкості фільтрації
WФ=4,2 см/с.
Сумарна ефективність очищення фільтрами грубого і тонкого очищення:
1. Сумарні втрати тиску обчислюють за формулою:
|
|
Р = |
РГ + РТ Па. |
(21) |
|
|
2. Загальна ефективність очищення газу від домішок |
||||
визначається за формулою: |
|
||||
|
|
η=(q0-q’2∙К)/q0. (22) |
Таблиця 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
Призначення фільтру |
Марка матеріалу, що |
Ефективність очищення за розміром |
||
|
рекомендується |
|
частинок 0,2...0,4 мкм, не менше |
||
|
|
|
|
||
|
1. Очищення |
нетоксичних |
ФПП-70-02 |
|
0,9 |
|
вентиляційних викидів |
ФПП-70-05 |
|
0,99 |
|
|
|
|
ФПП-15-1,5 |
|
0,99..0,999 |
|
2. Очищення |
вентиляційних |
ФПП-15-3 |
|
0,999..0,9999 |
|
викидів, що містять токсичні |
ФПП-25-3 |
|
0,999..0,9999 |
|
|
аерозолі |
|
ФПА-15-4 |
|
0,999..0,9999 |
Вихідні дані
Розрахувати фільтр для очищення вентиляційних викидів, що відводяться від постійних постів газополум’яної обробки дрібних
деталей |
місцевими відсмоктуваннями |
з |
витратою |
газу |
Q=2000 м3/год. Загальна концентрація пилових |
домішок |
в газі |
||
q0=5 мг/м3, |
причому частинок з середнім |
розміром більше |
3 мкм |
|
q1=4,5 мг/м3, а високодисперсних частинок менше 1 мкм q2=0,5 мг/м3. Допустимі сумарні втрати тиску на фільтрі грубого і тонкого
очищення в |
кінці |
циклу |
роботи τ |
100 год |
не більш |
|
(ΔРкін)доп=0,8∙105 Па. Швидкість |
руху |
газу в |
порах |
Wп=0,257 м/с, |
||
втрати тиску |
на фільтроелементі |
Р1=30 Па, густина речовини |
||||
високодисперсних |
аерозолів |
ρ1=2,5∙103 кг/м3. |
Найбільш |
|||
проникаючий розмір частинок дорівнює dч=0,24 мкм (R=0,12 мкм). Коефіцієнт фільтрувальної дії α=3,5∙10-2 Па-1 (0,35 мм-1 вод. ст.). Допустимий коефіцієнт проскакування по найбільш проникаючих частинках для фільтру тонкого очищення Кдоп=0,001. Температура газу Т=290 К, тиск на вході у фільтр Рвх=105 Па, початковий перепад тиску на фільтрі грубого очищення Рпоч=0,15∙105 Па. Маса осаду на
фільтрі за одиницю часу становить G 5,01 10 8 кг / м2 .