Фильтрование аэрозольных частиц

Для тонкой очистки газов от частиц и капельной жидкости их фильтруют, пропуская аэрозоль через фильтровальные перегородки, которые допускают прохождение воздуха, но задерживают аэрозольные частицы.

В фильтр (рис. 6.9) поступает загрязненный газ, частицы примесей оседают на входной части волокнистой перегородки (фильтроэлемента) и задерживаются в зазорах между волокнами, образуя на поверхности перегородки слой.

Фильтрование запыленного потока через слой пористого материала — сложный процесс, включающий действие ситового эффекта, инерционного столкновения, броуновской диффузии, касания (зацепления), действия гравитационных и электрических сил.

Процесс фильтрования в наиболее распространенных волокнистых фильтрах можно представить, как движение частиц вблизи изолированного цилиндра (из волокнистого материала), расположенного поперек потока (рис. 6.10). Влиянием соседних волокон пренебрегают.

?ис. 6.9. Схема фильтра:

1 — слой примесей; 2 — корпус; 3 — фильтроэлемент.

Рис. 6.10. Схема движения частиц аэрозоля при обтекании одиночного волокна:

l — механизм касания; 2 — инерционный механизм; 3 — диффузионный механизм; 4 — электростатический механизм Проходя через фильтрующую перегородку, поток газа разделяется на тонкие непрерывно разъединяющиеся и смыкающиеся струйки. Частицы, обладая инерцией, стремятся перемещаться прямолинейно, сталкиваются с волокнами, зернами и удерживаются ими. Считают, что поток имеет безвихревое движение, а частицы — сферическую форму, частицы при соприкосновении с цилиндрическими волокнами на их поверхности задерживаются силами межмолекулярного взаимодействия. Расстояния между цилиндрическими волокнами весьма значительны по сравнению с размерами частиц (в 5…10 раз превышают размеры частиц).

Очистка воздуха от пыли в пористых слоях происходит в результате одновременного действия всех рассмотренных механизмов отделения частиц. Суммировать эффекты от действия отдельных механизмов нельзя, так как общий эффект хотя и больше каждого отдельного слагаемого, но меньше их суммы. Исследования высокоэффективных фильтров, выполненных из очень тонких волокон, показали, что эффективность этих фильтров (близкая к абсолютной) снижается на доли процента в области частиц размером 0,1…0,3 мкм, для которых инерционный эффект уже почти неощутим, а диффузионный еще недостаточно действен.

Размер частиц играет важное значение при зацеплении и захвате частиц за счет касания ими поверхности обтекаемого тела. Если пренебречь инерционными эффектами и считать, что частица точно следует в соответствии с линиями тока, то частица осаждается не только в том случае, когда ее траектория пересечется с поверхностью тела, но и в случае пересечения линии тока на расстоянии от поверхности тела, равном ее радиусу. Таким образом, эффективность зацепления выше нуля и тогда, когда инерционное осаждение отсутствует. Эффект зацепления характеризуется параметром R, который представляет собой отношение диаметров частицы d_ч и обтекаемого тела d_т:

(6.38).

При потенциальном обтекании шара, когда величина R столь мала, что можно пренебречь инерционными эффектами, эффективность зацепления составляет.

(6.39).

В этом же случае для цилиндра верно соотношение.

(6.40).

В другом предельном случае, когда за счет большого значения инерционных эффектов траектории оседающих частиц прямолинейны, имеем следующие соотношения:

для шара.

(6.41).

для цилиндра.

(6.42).

Таким образом, при потенциальном обтекании шара эффективность механизма зацепления находится в пределах 2R…3R, а при потенциальном обтекании цилиндра — R.2R.

Для определения эффективности осаждения частиц за счет касания при вязком обтекании цилиндра справедливы следующие уравнения:

(6.43).

(6.44).

где - критерий Рейнольдса для обтекаемого тела.

Из приведенных выше уравнений следует, что эффект зацепления становится значительным при осаждении частиц на сферах с малым диаметром. Кроме того, они показывают, что осаждение частиц за счет эффекта зацепления не зависит от скорости газов, но в значительной степени определяется режимом течения газового потока.

Может быть определена эффективность осаждения при броуновском движении и под действием электрических сил как часть обшей эффективности.

Эффективность осаждения частиц одиночными волокнами при броуновском движении (температура потока ниже 100 °С) может быть определена по приближенной формуле.

(6.45).

где v_c — скорость газового потока, м/с; d_ч — диаметр частиц пыли, мкм; d_в — диаметр волокна, м.

Нужно учесть, что на пути движения запыленного потока расположено обычно несколько рядов волокон, что, естественно, значительно повышает общую эффективность осаждения.

Электростатический механизм захвата пылинок проявляется, когда волокна несут заряды или поляризованы внешним электрическим полем.

По мере осаждения частиц на фильтровальном материале уменьшается размер пор и образуется слой пыли с порами значительно меньшими, чем в незапыленном фильтровальном материале. Собственно рабочим слоем при фильтрации является именно фильтровальный материал с осажденными на нем пылевыми частицами. Он и определяет эффективность очистки. При отложении пыли возрастает гидравлическое сопротивление, уменьшается производительность фильтра. По достижении некоторого значения сопротивления пыль периодически удаляют. Этот процесс называется регенерацией фильтра.

Гидравлическое сопротивление слоя осевшей пыли можно определить по формуле Козени — Кармана (Па):

(6.46).

где k_с — коэффициент, принимаемый для пылей с диаметром частиц d_ч < 6 мкм равным 240; G — масса пыли, содержащейся в порах фильтровального материала, отнесенная к единице площади фильтра, кг/м²; m_п — пористость слоя пыли (m_п = (р_ч — р_н)/р_ч, здесь р_ч — плотность частиц, кг/м³; р_н — плотность насыпного слоя, кг/ м³); d_ч — диаметр частиц пыли, м.

Все большее распространение получает метод расчета улавливания очень мелкодисперсных частиц (d < 5 мкм), разработанный для высокоэффективных фильтров при скоростях фильтрации менее 1 м/с. Метод основывается на определении коэффициента захвата К, «веерной» модели фильтра, представляющего собой систему решеток из параллельных волокон, повернутых на произвольные углы относительно друг друга.

В элементарном слое фильтра толщиной dh, образованного волокнами диаметром D, уложенными с одинаковой плотностью упаковки а, общая длина волокон равна . При протекании со скоростью? через этот слой аэрозоля, концентрация частиц в котором равна N₀, каждой единицей длины волокна улавливается K_sDN₀v (1 — ?) частиц данного размера.

Убыль частиц в потоке с переменной концентрацией N составит — ?d?, или.

(6.47).

Учитывая, что величина? очень мала, после интегрирования получим.

Практический интерес представляет закономерность распределения осаждающейся пыли по толщине фильтра. Для выяснения этой закономерности запишем выражение (6.47) в виде.

где? — постоянная фильтрации.

После интегрирования получим.

(6.48).

откуда следует, что при h =? коэффициент проскока равен е^-1 = 0,368.

В соответствии с этим постоянную фильтрации можно определить как толщину слоя фильтра, в котором задерживается 63,2% всех частиц:

(6.49).

Из выражения (6.49) следует, что чем эффективнее фильтр, тем меньше его постоянная фильтрации. Наиболее эффективное улавливание происходит в первых по течению воздуха слоях фильтра. Это положение хорошо подтверждается экспериментальными исследованиями. Теория фильтрации относится главным образом к области максимального проскока частиц, предполагая полное улавливание частиц за пределами этой области, что справедливо для высокоэффективных фильтров, и совершенно не учитывая отскока частиц от волокон, который имеет место уже при сравнительно небольших скоростях соударения.

Фильтры общего назначения, наиболее широко применяемые в системах вентиляции, рассчитывают главным образом на основе опытных данных, однако приближенную оценку их эффективности можно получить при помощи приводимых теоретических зависимостей.