Пористые фильтры. 
Процессы и аппараты химической технологии

Одним из наиболее совершенных способов очистки газов является их фильтрация через пористые перегородки. Этот способ отличается более высокой степенью очистки от взвешенных частиц, чем в пылеулавливающих аппаратах других типов, возможностью улавливания частиц в газах, имеющих широкий диапазон температур, стабильностью процесса очистки и меньшей зависимостью от физико-химических свойств улавливаемых частиц и расхода газов.

К недостаткам пористых фильтров следует отнести: необходимость периодической замены фильтрующих элементов и громоздкость фильтров.

Возможности применения аппаратов фильтрующего типа значительно расширяются в связи с разработкой новых синтетических стеклянных и металлических материалов, которые могут быть использованы для изготовления фильтрующих элементов. При фильтрации газовых потоков частицы осаждаются на поверхности под действием сил диффузии, эффекта касания (зацепления), инерционных, электростатических и гравитационных сил.

Уловленные твердые частицы накапливаются в объеме фильтрующего материала или образуют пылевой слой на его поверхности, который является для поступающих частиц дополнительным фильтрующим элементом и повышает эффективность очистки газов. По мере накопления уловленных частиц газопроницаемость фильтрующего материала уменьшается, поэтому со временем возникает необходимость разрушения и удаления пылевого осадка, а иногда полная замена фильтрующего элемента. Таким образом, процесс фильтрации в большинстве случаев предусматривает периодическую регенерацию фильтра. При улавливании жидких частиц накапливающаяся жидкость может удаляться из пористой перегородки фильтра самопроизвольно. Подобный процесс называется саморегенерацией фильтра.

Промышленные фильтры можно условно разделить на два класса: тканевые и зернистые. Эти фильтры применяют для очистки промышленных газов с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60г/м3). Для периодического или непрерывного удаления улавливаемых частиц фильтры имеют соответствующие регенерирующие устройства. Тканевые фильтры по форме фильтрующей поверхности могут быть рукавными и рамочными. Наибольшее распространение в промышленности получили рукавные фильтры. Он состоит из ряда тканевых рукавов, подвешенных в металлической камере. Верхняя часть рукавов обычно заглушена.

Запыленный газ поступает в нижнюю часть аппарата и проходит через ткань рукавов. На поверхности ткани и в ее порах осаждается пыль. По мере увеличения толщины слоя пыли возрастает сопротивление фильтра, поэтому осевшую на ткани пыль периодически удаляют. Процесс фильтрации газа зависит от типа ткани вида пыли. Гладкие и неворсистые ткани сравнительно легко пропускают запыленный газ. В порах таких тканей задерживаются только крупные частицы пыли. Фильтр начинает хорошо задерживать мелкую пыль только после накопления на повepхности фильтрующих элементов слоя пыли. Для ворсистых, шерстяных тканей с мелкими порами влияние начального слоя пыли менее заметно. Ворсистые ткани целесообразно применять при улавливании зернистой гладкой пыли, а при улавливании волокнистой пыли — лучше гладкие ткани.

Фильтрация тонкой пыли (частицы менее 1−2 мкм) возможна лишь на поверхности ранее осажденной пыли.

Ткани, используемые в качестве фильтровальных материалов, должны отличаться высокой пылеемкостью, воздухопроницаемостью, механической прочностью, стойкостью к истиранию стабильностью свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей, а также минимальным влагопоглощением и способностью к легкому удалению накопленной пыли. Не все применяемые в промышленности материалы удовлетворяют перечисленным требованиям, поэтому каждый материал используют в определенных, наиболее благоприятных для него условиях.

Тканевые фильтры, различаются между собой по следующим признакам:

форме тканевых фильтрующих элементов (рукавные, плоские, клиновые и др.);…

месту расположения вентилятора относительно фильтра (всасывающие и нагнетательные);.

способу регенерации ткани (встряхиваемые, с обратной продувкой, с вибростряхиванием, с импульсной продувкой и др.);

форме корпуса для размещения фильтрующих элементов (прямоугольные, цилиндрические, открытые);

числу секций в установке (однои многосекционные);

виду используемой ткани (шерсть, бязь, стеклоткань и т. д.).

Отечественной промышленностью серийно выпускаются рукавные фильтры типа ФВ, МФУ, РФГ, ФВК, ФРМ, ФВВ, МФВ, МФС, ПФР, ФР.

Рукавные фильтры типа ФВ предназначены для средней и тонкой очистки газов от волокнистой пыли. Рукава выполняют из суровой бязи. Фильтры МФУ применяют для тонкой очистки газов и воздуха от сухой и слипающейся пыли с размером частиц до 1 мкм (цемент, мука, зола).

Многосекционные рукавные фильтры типа РФГ предназначены для обеспыливания промышленных газов, поступающих на очистку при избыточном давлении или разрежении.

В фильтрах этого типа больше секций, чем в фильтрах ФВ, и рассчитаны они на более высокую производительность. Промышленностью выпускаются также фильтры РФГ-УМС однорядные и двухрядные с числом секций от 4 до 20. В зависимости от температуры очищаемых газов для рукавов используют различные материалы (ткани ЦМ, хлопчатобумажные ткани, сукно, нитрон, лавсан). При повышенной влажности газов предусматривается подогрев продувочного воздуха до температуры на 10−15°С выше точки росы паров воды. Расход воздуха для продувки рукавов составляет 10−15% производительности установки, подсос воздуха через неплотности достигает 10%.,.

Регенерацию фильтровальной ткани в фильтрах РФГ осуществляют автоматически посекционно.

Рукавные всасывающие фильтры марки ФВК предназначены для очистки нейтральных запыленных газов (воздуха) от сухой пыли при температуре до 80 °C. Регенерацию рукавов производят посекционно с помощью механизма периодического встряхивания и обратной продувкой атмосферным воздухом. Подсос воздуха через неплотности с учетом продувки для регенерации достигает 30% от количества очищаемых газов. Разрежение в бункepe должно быть не менее 300 Па.

Рукавные всасывающие фильтры марки ФРМ предназначены для очистки воздуха с большим начальным содержанием пыли и применяются для улавливания волокнистой пыли. Подсос воздуха через неплотности с учетом продувки достигает 11−18% от объема очищаемого воздуха. Разрежение в бункере должно быть не менее 600−1000 Па.

Укрупненный рукавный фильтр УРФМ состоит из 20 секций с общей фильтрующей поверхностью 2300 м²; в каждой секции находятся 42 рукава диаметром 200 мм и длиной 4020 мм. В отличие от РФГ этот фильтр оборудован устройствами пневматического встряхивания пневматического управления клапанами. Характерной особенностью фильтра является переменный рабочий цикл секции фильтра, устанавливаемый автоматически.

Всасывающие фильтры МФВ-204 применяют в сажевой промышленности для улавливания антраценовой сажи. Он состоит из стальной сварочной камеры, разделенной поперечными перегородками на 12 секций, в каждой из которых размещается по 17 рукавов из ткани нитрон или лавсан.

Регенерацию рукавов осуществляют с помощью механического встряхивания и обратной продувки подогретым воздухом от специального вентилятора.

3ернистые фильтры. Преимуществами зернистых фильтров являются — невысокая стоимость и доступность материалов, возможность работать при очень высоких температурах и агрессивных средах, способность выдерживать большие механические нагрузки и перепады давления, а также резкие изменения температуры.

Различают два типа зернистых фильтров. К l-му типу относятся насыпные фильтры, в которых рабочие элементы не связаны жестко друг с другом (неподвижные слоевые фильтры, подвижные слоевые фильтры, фильтры с псевдоожиженным слоем). Ко 2-му типу относятся жесткие пористые фильтры, в которых зерна прочно связаны друг с другом в результате спекания, спрессовывания или склеивания и образуют прочную неподвижную систему (пористая керамика, пористые металлы, пористые пластмассы).

Зернистые насыпные фильтры. В качестве насадки в насыпных фильтрах используют песок, гальку, шлак, дробленые горные породы, древесные опилки, крошку резины, кокс, пластмассы, графит и другие материалы, а также стандартные виды насадок — кольца Рашига, седлаБерля, сферы и т. д. Выбор материалов для насадок обусловливается требуемой термической и химической стойкостью, механической прочностью, доступностью.

Получили распространение также гравийные фильтры, регенерируемые путем вибрационной встряски зернистого слоя внутри аппарата. Гравийные фильтры применяют для очистки газов в производстве цемента, извести, гипса, фосфорных удобрений и в других производствах, где присутствуют абразивная пыль и агрессивные газы или вещества, плохо улавливаемые в электрофильтрах и других пылеуловителях.

При начальной концентрации пыли более 12 г/м3 перед гравийными фильтрами устанавливают циклоны. Остаточное содержание пыли в очищенных газах обычно составляет от 10 до 100 мг/м3. эффективность очистки — от 99 до 99,8% .

Фильтры с движущейся средой. Свойство сыпучих зернистых материалов используют для создания фильтров с движущейся средой и периодическим или непрерывным удалением из установки для регенерации части зерен. Обычно материал перемещается между сетками или жалюзийными решетками под действием гравитационных сил. Регенерацию выгруженного материала проводят в отдельном аппарате путем грохочения или промывки зерен водой.

Зернистые жесткие фильтры. Керамические, поролитовые, металлопористые, металлокерамические и другие жесткие пористые фильтры занимают особое место среди фильтров, так как отличаются повышенной устойчивостью к высокой температуре, коррозии и механическим нагрузкам. Существенными недостатками жестких фильтров по сравнению с тканевыми являются их высокая стоимость, большое гидравлическое сопротивление и необходимость частой регенерации, что существенно усложняет эксплуатацию и сокращает срок их службы.

Жесткие пористые элементы можно регенерировать следующими способами: продуванием воздуха или газа в направлении, противоположном движению рабочего потока; пропусканием жидких растворов в направлении, противоположным движению рабочего потока; пропусканием горячего пара или струи горячих газов для удаления из пор различных отложений; механической вибрацией пористых элементов.

Трудность регенерации жестких пористых элементов объясняется глубоким проникновением высокодисперсных частиц в поры. При этом сопротивление элементов непрерывно увеличивается и часто возникает необходимость в демонтироваиии элементов для более глубокой промывки или очистки их другими способами.

Жесткие пористые фильтры редко применяют в системах очистки воздуха или газов большой производительности, так как их сопротивление велико и необходимо работать при низкой скорости фильтрации. Чаще всего такие фильтры применяют для фильтрации сжатых газов, поступающих на очистку при высокой температуре. (300−5000С).

Керамические фильтры. Керамические патроны, пластины или диски получают спеканием зерен шамота, кварцевого песка, асбеста и других природных минералов.

Скорость фильтрации в зависимости от вида керамики, концентрации и свойств пыли, давления в системе составляет от 0,01 до 0,5 м/с. Керамические фильтры часто применяют для очистки технологических газов внутри аппаратов.

Металлокерамические фильтры. Исходным материалом для изготовления служат металлические. порошки шарообразной формы с гладкой поверхностью или порошки несферической формы с шероховатой поверхностью.

Эти фильтры громоздки, так как нагрузки по газу в металлокерамических фильтрах могут изменяться от 0,2 до 10 м3/(м2,мин) при аэродинамическом сопротивлении от 0,1 до 6 кПа. При производительности 0,1 м3/с фильтр имеет диаметр 1,2 м высоту 1,8 м. Вследствие того, что на жесткой поверхности образуется очень — однородный слой, эффективность улавливания в этих фильтрах .даже по субмикронным частицам очень высокая. Металлокерамические элементы из порошка с размером частиц от 75 до 150 мкм почти полностью задерживают частицы более 1 мкм. Остаточная концентрация составляет менее 1 мг/м3.

Регенерацию фильтров осуществляют обратной продувкой сжатым воздухам или газом. Металлокерамические фильтры наиболее широко применяют для выделения из горячих газовых потоков ценных пылевидных продуктов, например пылевидных катализаторов. Их используют также в энергетических ядерных реакторах для очистки СО2, служащей теплоносителем, в контурах рециркуляции, в местах продувки и аварийного сброса газа в атмосферу.