Глава 5

ОЧИСТКА ГАЗОВ ФИЛЬТРОВАНИЕМ

§ 1. Общие сведения о процессе фильтрования

В основе работы пористых фильтров всех видов лежит фильтрование запыленного газа через пористую перегородку, в процессе которого частицы пыли, взвешенные в газе, задерживаются перегородкой, а газ проходит сквозь нее. Пористые фильтры могут весьма полно и эффективно задерживать частицы пыли практически любых размеров.

В зависимости от вида, структуры и условий работы пористой перегородки, уловленные частицы пыли либо осаждаются на стенках поровых каналов, накапливаясь во всем объеме, занимаемом пористой перегородкой, либо образуют на лобовой поверхности перегородки пылевой слой, являющийся высокоэффективной фильтрующей средой. В обоих случаях скорость процесса фильтрования 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 фильтрования непрерывно уменьшается. Наоборот, для поддержания постоянной скорости фильтрования необходимо непрерывно увеличивать перепад давления на пористой перегородке. В обоих случаях при достижении некоторого заданного сопротивления перегородку приходится подвергать регенерации, т. е. освобождать ее от уловленной пыли.

Применяемые пористые перегородки по своей структуре и свойствам весьма разнообразны. Они могут представлять собой зернистые слои, металлические сетки, керамику и металлокерамику, волокнистые материалы, бумагу, ткани.

Размеры поровых каналов в фильтрующей перегородке обычно во много раз превышают размеры улавливаемых частиц пыли, поэтому фильтрование нельзя рассматривать как процесс просеивания через какое-то сито. Улавливание частиц, проникающих вглубь, происходит за счет осаждения их на стенках каналов, образованных твердыми элементами пористой перегородки, где они удерживаются силами адгезии.

Процесс фильтрования можно условно разделить на две стадии. На первой (начальной) стадии (стационарное фильтрование) осажденные частицы накапливаются внутри пористой перегородки в незначительном количестве, что практически не меняет ее структуры. На второй стадии процесса (нестационарное фильтрование) вследствие большого количества осажденных частиц пористая перегородка претерпевает непрерывные структурные изменения. После образования и наращивания лобового пылевого слоя в процессе фильтрования существенную роль начинает играть ситовый эффект, так как образующиеся поры соизмеримы с размерами улавливаемых частиц. В соответствии с этим постоянно изменяются гидравлическое сопротивление и эффективность работы фильтра, что крайне осложняет течение процесса фильтрования и связанные с этим расчеты. В условиях эксплуатации большинства промышленных фильтров определяющее значение имеет именно нестационарное фильтрование.

§ 2. Характеристики пористой перегородки

Основным свойством пористой перегородки является пористость ε, представляющая собой отношение пустого пространства (объема пор) между твердыми непроницаемыми элементами пористой среды к общему объему, занятому пористой средой. Объем твердых элементов фильтрующей перегородки, заключенный в единице объема пористой среды, называют плотностью упаковки α.

Пористость фильтрующей среды или плотность упаковки при отсутствии закрытых пор внутри фильтрующих элементов можно определить из выражения

_, (5.1)

где _э — плотность материала элементов фильтрующей среды; _ф — кажущаяся плотность фильтрующей среды.

Относительное живое сечение всех поровых каналов, по которым движется аэрозоль, численно равно пористости фильтрующей перегородки ε. Общая поверхность всех поровых каналов равна суммарной поверхности фильтрующих элементов S в единице объема фильтрующего слоя. Поэтому эквивалентный диаметр поровых каналов может быть определен из выражения

. (5.2)

Поверхность твердых элементов в единице объема пористой среды может быть подсчитана следующим образом:

. (5.3)

где V₁ и S₁ – средний объем и поверхность одного элемента.

Тогда эквивалентный диаметр поровых каналов будет равен

. (5.4)

Для фильтрующей перегородки, состоящей из частиц сферической формы, эквивалентный диаметр поровых каналов может быть определен аналитически, так как Vi=d³/6, a S₁=d² и, следовательно,

(5.5)

Выражение (5.5) показывает, что эффективный диаметр пор уменьшается с уменьшением размеров твердых частиц (при ε = const).

Под скоростью фильтрования w_ф, м/с, понимают условную скорость, получаемую как отношение объемного расхода газа V_г, проходящего через фильтр, к полной площади фильтрующей перегородки F. Численно скорость фильтрования равна газовой нагрузке фильтра, т. е. объему газа, проходящего через единицу поверхности фильтра в единицу времени, м³/(м²·с). Фактическая скорость в поровых каналах w' существенно больше скорости фильтрования и зависит от пористости фильтрующей перегородки:

w' = w_ф/ε. (5.6)

Важной характеристикой пористой перегородки является пылеемкость, которая представляет собой количество пыли, задерживаемой фильтром за период непрерывной работы, т. е. между двумя очередными регенерациями. Критерием пылеемкости является интенсивность роста удельного сопротивления φ:

φ = (р₂-р₁)/М₁, (5.7)

где р₁, р₂ — начальное и конечное сопротивление фильтра, Па; M₁ — удельная запыленность фильтра, кг/м²; M₁ = M/F, здесь М — количество уловленной пыли, кг; F — рабочая поверхность фильтра, м².

При заданном предельном сопротивлении р₂ пылеемкость фильтра рассчитывают по формуле

. (5.8)

При улавливании мелких частиц пылеемкость фильтра всегда меньше, чем при улавливании крупной пыли.