Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы процесса фильтрации 7
1.1. Основные положения 7
1.2. Гидравлическое сопротивление фильтровальных перегородок 16
1.3. Способы регенерации фильтровальных перегородок 19
1.4. Зернистые фильтры 22
Выводы к главе 1 26
ГЛАВА 2. STRONG Описание экспериментальных и промышленных установок и
методов проведения анализов STRONG 27
2.1. Экспериментальная установка для проведения испытаний фильтровальных перегородок 27
2.2. Экспериментальная установка для определения пористости материалов 31
2.3. Экспериментальная установка для испытания керамического фильтра, устанавливаемого за дизелями 33
2.4. Фильтровальные материалы 38
2.4.1. Волокнистые материалы 38
2.4.2. Керамические материалы 42
Выводы к главе 2 47
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования и обработка полученных результатов 48
3.1. Гидравлическое сопротивление 48
3.2. Эффективность осаждения взвешенных частиц 60
3.3. Вероятностный метод расчёта эффективности низкоскоростной фильтрации 67
3.4. Практические примеры использования низкоскоростной фильтрации газов 71
3.4.1. Волокнистые туманоуловптели 71
3.4.2. Керамические фильтры 73
Выводы к главе 3 74
ГЛАВА 4. Очистка дымовых газов дизельных установок 75
Выводы к главе 4 87
ГЛАВА 5. Разработка и внедрение керамического фильтраинновационный проект 88
Выводы к Главе 5 96
Общие выводы 97
Литература
- Гидравлическое сопротивление фильтровальных перегородок
- Зернистые фильтры
- Экспериментальная установка для определения пористости материалов
- Вероятностный метод расчёта эффективности низкоскоростной фильтрации
Введение к работе
В настоящее время защита атмосферного воздуха от загрязнений промышленными и аспирационными выбросами является одной из важнейших проблем для большинства стран мира, актуальна эта проблема и для Российской Федерации.
Значительная часть выбросов связана с образованием твёрдых и жидких взвешенных частиц, отличающихся высокой дисперсностью. Наиболее успешно улавливание подобных субмикронных частиц осуществлялось в фильтрах.
Среди фильтрационных аппаратов в последние годы значительный практический интерес вызывают низкоскоростные волокнистые фильтры-туманоуловители и мелкокерамические фильтры. Первые успешно решают задачу улавливания высокодисперсных капель туманов, вторые позволяют очищать от пыли газы без предварительного снижения их температуры.
Пыле- и туманоуловители обоих видов характеризуются низкими скоростями фильтрации, т.е. малыми гидравлическими сопротивлениями, и имеют близкую по геометрических параметрам структуру фильтровальных перегородок.
В технической литературе отсутствуют практические данные, характеризующие влияние структурных параметров фильтровальных перегородок на эффективность осаждения частиц при низкоскоростной фильтрации, что, естественно, затрудняет их подбор при расчётах и конструировании вышеуказанных фильтров.
Отсюда, возникает задача по разработке методов инженерного расчёта фильтровальных перегородок из безворсовых материалов для низкоскоростных пыле- и туманоуловителей, чему и посвящена настоящая работа.
Цель работы. Развитие теоретических основ улавливания твёрдых и жидких взвешенных частиц при низкоскоростной фильтрации газов и разработка на их базе рекомендаций по выбору оптимальной структуры материалов фильтровальных перегородок и технологических расчётов процесса фильтрации.
Эта цель достигалась комплексным решением следующего круга задач:
- углублённого анализа механизмов осаждения взвешенных частиц при низкоскоростной фильтрации;
- обобщения экспериментальных данных по гидродинамике и эффективности осаждения взвешенных частиц в фильтровальных перегородках с безворсовой структурой;
- формирование требований к фильтровальным материалам, применяемым в низкоскоростных волокнистых туманоуловителях и керамических фильтрах;
- реализации полученных технических решений в виде новых конструкций промышленных пылеуловителей.
В основу теоретических и прикладных исследований положены закономерности аэрогидродинамики и механики аэрозолей, которые в сочетании с экспериментально-статистическими методами обработки данных исследований обеспечивали получение представительных и устойчиво воспроизводимых результатов.
Научная новизна. Обобщены данные по гидродинамике фильтровальных перегородок с безворсовой структурой и предложены зависимости для инженерного расчёта их гидравлического сопротивления; рассмотрены основные механизмы осаждения взвешенных частиц при низкоскоростной фильтрации и определены характеризующие их параметры, получены зависимости для определения эффективности осаждения взвешенных частиц в низкоскоростных волокнистых туманоуловителях; проанализированы экспериментальные данные по эффективности осаждения взвешенных частиц в керамических фильтрах и установлена их зависимость от структуры фильтровальных перегородок Полученные результаты явились основой для разработки методов инженерного расчёта низкоскоростных фильтров и выбора оптимальной структуры керамических фильтровальных перегородок.
Практическая ценность. Разработаны и внедряются в промышленность низкоскоростные волокнистые туманоуловители и керамические фильтры.
При непосредственном участии автора разработана техническая документация на модульный керамический фильтр типа ФКИ-45, внедрение которого осуществляется в рамках Государственной целевой программы уничтожения запасов химического оружия Керамические фильтры обеспечивают возможность проведения регламентных работ на дизельных установках.
На защиту выносятся:
- анализ научно-технических основ очистки газов от взвешенных частиц при низкоскоростной фильтрации в аппаратах с безворсовыми фильтровальными перегородками;
- методы расчета осаждения взвешенных капель в низкоскоростных волокнистых туманоуловителях и взвешенных частиц в керамических фильтрах;
- выбор параметров фильтровальных перегородок для модульной конструкции керамического фильтра;
- результаты промышленного внедрения низкоскоростных волокнистых туманоуловителей и керамических фильтров.
Практическая реализация работы. Результатами проведенных исследований широко пользуются проектные институты, высшие учебные заведения и организации: МГУИЭ, ФГУП «СоюзпромНИИпроект», ЗАО «Металлхимпрогресс», ЗАО «Кондор-Эко», ЗАО НТЦ «Бакор», ООО «Бакор-фильтркерамика», ООО «Гипрохим», НПО «Кер амикфил ьтр».
На основе полученных при проведении работы экспериментальных данных, теоретических обобщений, конструктивных решений, методов расчёта происходит всё нарастающее внедрение в различные области промышленности и системы аспирации новых высокоэффективных и надёжных в эксплуатации экономичных волокнистых туманоуловителей и керамических фильтров.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждены и одобрены на 17 и 18 Международных Конгрессах по химической технологии (г. Прага, Чехия, 27-31 августа 2006 г., 24-28 августа 2008 г.); на б и 7 Международных конференциях «Инженерия окружающей среды» (г. Вильнюс, Литва, 26-27 мая 2005 г., 22 апреля - 3 мая 2008 г.); на Круглом столе «Экология и город», проводившимся в рамках постоянно действующей Международной конференции «Эволюция инфосферы» (г. Москва, март 2007 г., РАН); на III Международной научно-практической конференции "Проблемы экологии, наука, промышленность, образование" (г. Белгород, октябрь 2006 год).
Публикации:
1. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 8, 2004. АЮ. Вальдберг, А.В. Огурцов, Т.О. Казначеева. Расчет эффективности низкоскоростных волокнистых туманоуловителей, с. 35-36.
2. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 1, 2005. А.Ю. Вальдберг, Т.О Казначеева; Б.Л. Красный, В.П. Тарасовский. Исследование фильтровальных свойств керамических материалов, с. 40-42.
3. «Экология производства. Научно-практический журнал», № 2, 2005. А.Ю. Вальдберг, В.П. Александров, Т.О. Казначеева; Б.Л. Красный, В.П. Тарасовский. Керамический фильтр — пылеуловитель будущего, с. 54-55.
4. «Стекло и керамика», № 5, 2005. Б.Л. Красный, В.П. Тарасовский; А.Ю. Вальдберг, Т.О. Казначеева. Пористая проницаемая керамика для фильтрующих элементов установок очистки горячих газов от пыли, с. 14-18.
5. Вальдберг А.Ю., Косогорова Т.О. Перспективы использования керамического фильтра для высокотемпературной очистки газов от пыли. XIX Международная Научная Конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-19, сборник трудов, том 4, Воронеж, 2006, с. 51-52.
6. Вальдберг А.Ю., Косогорова Т.О. Перспективы очистки газов в керамических фильтрах. III Международная научно-практическая конференция "Проблемы экологии: наука, промышленность, образование" - Белгород, 2006
7. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 5, 2007 А.Ю. Вальдберг, Т.О. Косогорова, А.Н. Цедилин; Д.Д. Покровский, А А Якимычев Очистка дымовых газов дизельных установок, с. 41-43.
8. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 4, 2008 А Ю Вальдберг, А.Н. Цедилин, Т.О. Косогорова, Ю.Ф. Хуторов, И Ю Семушкина Очистка дымовых газов дизельных установок в керамических фильтрах, с 36-39
Достоверность полученных результатов. Обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, использованием поверенных приборов и результатами внедрения.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений Содержит 97 сграниц, 25 таблиц, 44 иллюстрации, списка использованных источников из 86 наименований и 3-х приложений на 7 страницах.
Гидравлическое сопротивление фильтровальных перегородок
Величина перепада давлений, обеспечивающая требуемую скорость течения газового потока через фильтрующую перегородку, является важнейшей эксплуатационной характеристикой любого фильтра.
Существует большое количество зависимостей [22], описывающих с различной степенью точности величину гидравлического сопротивления фильтров Дрф (Па). Практически все они относятся к ламинарному (вязкому) режиму течения (Re і), т.е. к низкоскоростной фильтрации. В этом случае величина Арф пропорциональна скорости, вязкости газового потока и толщине фильтрующего слоя и определяется зависимостью: РФ=Ї /2 Г (1-27) где Е. - коэффициент гидравлического сопротивления, являющийся функцией только плотности упаковки волокон (зёрен) в фильтре.
Для выражения величины предложено много полуэмпирических формул [1, 6,19]. Среди них можно выделить: уравнение Фукса-Стечкина: А- ос = 1_ (1-28) -1,15-In or-0,75 v уравнение Уитби: 4.tt.(l + 30.o.) (l-a)2 -(2-InRe) уравнение Хаппеля: i = — (1-30) -1,15-In or-0,5 v 7
Как отмечается в [1] при расчётах по различным формулам в этой области получаются весьма близкие результаты. На рис. 1.3 приведены значения коэффициента Е, [9] по данным различных авторов для фильтровальных перегородок с плотностью упаковки а 0,1. щ І і 10" « Плотность упаковки, а Рис. 1.3. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления фильтровальных перегородок от плотности упаковки по данным различных авторов [19] Для расчёта величины волокнистых низкоскоростных фильтров обычно применяют формулу Дэвиса 20, 67]: = 16-a"-(l+56-a3) (1.31)
Описанные выше формулы характеризуют чистые (не запылённые) фильтровальные перегородки. Естественно, что в процессе фильтрации значения Дрф претерпевают изменения, связанные с осаждением взвешенных частиц.
Изменение гидравлического сопротивления фильтра при заполнении его жидкими взвешенными частицами весьма отличается от характера роста сопротивления при осаждении твёрдых частиц. При улавливании капель, гидравлическое сопротивление на первой стадии начинает медленно расти. На этой стадии капли осаждаются на фильтровальной поверхности, где они сталкиваются с газовым потоком, вследствие чего происходит медленное увеличение сопротивления. На следующей стадии начинается стекание жидкости с поверхности волокна и сопротивление становится постоянным, поскольку большая часть жидкости отводится из фильтра.
Формула Дэвиса базировалась на положении, что жидкость однородно распределяется по всей толщине фильтра. В работе [21] указывалось, что существует определённая неоднородность в распределении уловленных капель жидкости в объёме фильтра, которая может быть учтена вводом следующих поправок.
Величина / = de заменяется на dm (диаметр мокрого волокна, м), рассчитанного по формуле: dM=d.-\l+ Шж (1.32) где Шж - масса уловленной жидкости, кг; Бф - поверхность фильтрации, м , а плотность упаковки а на Ощ (плотность упаковки мокрого фильтра): -="+,, Шж „ (1.33) рф-Рж-н
По мнению авторов работы [21], новый вариант формулы Дэвиса даёт вполне удовлетворительные результаты на первой стадии фильтрации, когда происходит накопление жидкости на волокнах. По-видимому, величину тж можно определить только экспериментально, на этапе прекращения роста величины гидравлического сопротивления туманоуловителя.
Классическое уравнение Козени-Кармана, широко используется при определении удельной поверхности порошков по их проницаемости для газов: 22-а2 й = Тл vT (1-34) (1-а) Это уравнение применимо для очень плотных фильтров с а 0,12, что соответствует обычно упаковке зёрен в керамических фильтрах.
Гидравлическое сопротивление низкоскоростных зернистых фильтров обычно рассчитывается по формуле (для зернистого слоя состоящего из цилиндров (таблеток, гранул) и седлообразных элементов) [26]: = - + Ки (1-35) Re где К - константа Козени (К=4,8); Ки - инерционная компонента, зависящая от формы элементов, для слоя из шарообразных элементов (Ки = 0,45).
Аэродинамические свойства чистых фильтровальных перегородок характеризуются воздухопроницаемостью - расходом воздуха при определённом перепаде давления Арф, обычно равном 49 Па. Численно воздухопроницаемость равна скорости фильтрации г)ф (м/мин) при Арф = 49 Па. Отсюда размерность воздухопроницаемости, принятая в технике пылеулавливания м /(м мин).
По мере запыления гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки возрастает; расход газов через фильтр при достижении сопротивления, обеспечиваемого статическим напором вентилятора, начинает снижаться. Поэтому для поддержания необходимой производительности фильтра требуется его периодическая регенерация. 1.3. Способы регенерации фильтровальных перегородок
Описанные выше механизмы фильтрации применительно к промышленному фильтру при осаждении твёрдых взвешенных частиц справедливы лишь в начальный период фильтрации через чистую фильтровальную перегородку и не учитывают эффект резкого увеличения эффективности улавливания после образования пылевого слоя. При осаждении частиц на волокнах (зёрнах) уменьшается размер пор между ними, что приводит к более быстрому осаждению следующих порций пыли. В конечном итоге между волокнами (зёрнами) образуются пылевые "мосты" (рис. 1.4) и пористость фильтровальной перегородки быстро уменьшается. На поверхности перегородки образуется первичный пылевой слой, непосредственно связанный с волокнами (зёрнами) перегородки. Считается, что быстрое образование такого слоя наблюдается, если отношение диаметра пор перегородки к диаметру улавливаемых частиц не превышает 10 [5, 67]
Схема образования пылевого СЛОЯ на волокнах (зернах)
В фильтрах уловленные сухие частицы накапливаются в порах или образуют пылевой слой на поверхности перегородки, и таким образом сами становятся для вновь поступающих частиц частью фильтрующей среды. Однако по мере накопления частиц размер пор и общая пористость перегородки неизбежно уменьшаются, а сопротивление движению газов возрастает, поэтому в определенный момент возникает необходимость замены забитого пылью фильтра новым фильтрующим материалом или регенерация фильтра путём удаления пылевого осадка.
В отдельных случаях возможна обработка фильтровальной перегородки после извлечения из корпуса аппарата водой или жидкостью, способствующей растворению осевших частиц (промывка). После чего фильтровальная перегородка может быть вновь установлена в аппарате. Подобный приём используется как в волокнистых, так и в керамических фильтрах. Особенно часто он применяется в туманоуловителях: существуют регенерируемые и орошаемые волокнистые туманоуловители. Регенерируемый -туманоуловитель, перегородка которого периодически промывается жидкостью, обычно водой, до снижения гидравлического сопротивления аппарата до величины,
Зернистые фильтры
Работа лабораторной установки осуществляется следующим образом: Для проведения испытаний необходимо включить вентилятор 21. Расход воздуха, проходимого через фильтр 10, регулируется при помощи запорного устройства 20. Расход воздуха в газоходе 6 измеряется пневматическим методом (ГОСТ 17.2.4-06-90; ГОСТ 17.2.4-07-90) микроманометром 18 [71, 72].
Сжатый воздух из компрессора 1 подаётся в генератор масляного тумана 2 (рис. 2.2). Генератор представляет собой сосуд с конической крышкой, наполненный маслом. Воздух проходит через форсунки 3, установленные в боковых стенках и, сталкиваясь с поверхностью масла, образует масляный туман. Поток тумана от форсунки направляется в противоположную стенку, которая служит экраном для отбивания крупных капель. Для получения более мелкого тумана масло нагревают до температуры 95-100 С при помощи электронагревателя 4. Температуру нагреваемого масла определяют при помощи термометра 5. Давление воздуха, подаваемого на форсунки для распыления масла, поддерживается постоянным и составляет 0,25 МПа. Масляный туман поступает в газоход 6. Для определения полной и фракционной эффективности улавливания испытываемым фильтровальным материалом 11 используется импактор 8, 14 конструкции института им. Карпова. Отбор газового потока в импактор 8, 14 осуществляется через пробоотборные трубки 7, 13. Расход газа через импактор является величиной постоянной (калибровка проводилась при 15 л/мин) и устанавливается при помощи реометра, вмонтированного в электроаспиратор 9. Если расход воздуха через импактор отличается от калиброванного значения, необходимо выполнить перерасчёт.
Сопротивление фильтровального материала определяется при помощи U-образного манометра 12. Для улавливания аэрозольных частиц, содержащихся в воздухе за фильтровальной перегородкой, используют фильтр плоский типа ФП-1, 19 [64, 70], устанавливаемый перед вентилятором 19. Состояние среды (воздуха), при котором проводились испытания, определяют при помощи приборов: анероидом 15 - барометрическое давление, термометром 16 — температуру, психрометром 17 - влажность. Отработанный воздух выбрасывается в атмосферу. Рис. 2.2. Генератор тумана
Дисперсный состав капель тумана (рис. 2.4) на входе в фильтр, определённый импактором конструкции НИФХИ им. Карпова [2, 59, 75] (рис. 2.3), характеризовался следующими значениями: медианный диаметр капель dm — 1,3 мкм, среднее стандартное логарифмическое отклонение в функции распределения капель по размерам lgoK = 0,23. Плотность капель рк 885 кг/м3. Концентрация капель на входе в фильтр колебалась в пределах 500 мг/м3.
Рис. 2.3. Импактор конструкции НИФХИ им. Карпова
Принцип действия импактора основан на инерционном осаждении взвешенных частиц на плоскую поверхность в результате резкого изменения направления движения аэрозоля. Обычно импактор включает в себя несколько последовательно установленных сопел с расположенными напротив них поверхностями осаждения — подложками, заполненными специально подобранным материалом. Разделение на фракции осуществляется при поочерёдном обтекании струёй запылённого газа плоских поверхностей (подложек) ступеней инерционного осаждения. Дисперсный состав пыли или массовое содержание различных фракций оценивают исходя из массы пыли, осевшей на этих ступенях и на конечном фильтре, которые подвергают взвешиванию до и после проведения сепарации.
Погрешность измерения (относительное среднее квадратичное отклонение - ОСКО), согласно ГОСТу 50820-95 при определении запылённости и дисперсности составляет 0,04, а максимальная погрешность с доверительной вероятностью 95 % составляет ± 8 %. 2.2. Экспериментальная установка для определения пористости материалов Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 21956-88 «Определение максимальных пор».
Метод основан на определении минимального давления воздуха, подаваемого под образец, при котором на поверхности жидкости, находящейся над образцом, появляется первая цепочка пузырьков воздуха.
Отбор проб осуществляется по ГОСТ 8047 - 93. Образцы не должны иметь отверстий, видимых невооружённым глазом.
Установка должна обеспечивать надёжное закрепление образца, исключающее повреждение его и утечку жидкости, и плавную регулировку давления воздуха. Приведённая погрешность манометра не превышала 1 % от верхнего предела измерения. Верхний предел измерения не превышал 10 кПа.
Испытательная жидкость имеет плотность р=885 кг/м3. Схема лабораторной установки для определения герметичности керамических материалов представлена на рис. 2.5. Экспериментальная установка для определения пористости фильтровальных материалов 1 - компрессор 2 —регулятор давления 3 —устройство для закрепления испытуемого образца 4—манометр
Образец зажимают в устройстве 3 и пропитывают испытательной жидкостью, предварительно создав давление под образцом, равное 300 - 500 Па. Не снимая давления, заливают поверх образца испытательную жидкость до отметки на устройстве. Плавно повышают давление 2 воздуха над образцом до появления на поверхности жидкости первой цепочки пузырьков воздуха, прошедшей через образец. Скорость повышения давления воздуха должна быть постоянной и составлять (100 ± 20) Па/с. Снимают показания манометра 4, соответствующее появлению первой цепочки пузырьков воздуха. Пузырьки воздуха, появившиеся на расстоянии менее 1 мм от края уплотнительного кольца, во внимание не принимают.
Экспериментальная установка для определения пористости материалов
В основе работы волокнистых каплеуловителей всех видов лежит процесс фильтрации газов через пористую перегородку - фильтрующую среду, в ходе которого взвешенные частицы задерживаются в ней, а газы полностью проходят сквозь неё [1, 4, 19, 37, 65, 76].
Под понятием волокнистый фильтр обычно подразумевают фильтры, у которых фильтровальная перегородка состоит из слоев различных волокнистых материалов. Фильтровальные слои могут отличаться конфигурацией (плоская, складчатая, цилиндрическая и др.) и иметь различную толщину. Волокнистые фильтры относятся к фильтрам объёмного действия, так как рассчитаны на улавливание и накапливание взвешенных частиц преимущественно по всей глубине фильтровальной перегородки [38-45, 74].
Волокнистые фильтры широко применяются в качестве аппаратов, улавливающих взвешенные жидкие частицы (капли туманов, брызги). Подобные волокнистые фильтры получили название туманоуловителей (туманобрызгоуловителей). Отличительной особенностью работы волокнистых фильтров-туманоуловителей является коалесценция уловленных жидких частиц (капель) при контакте с поверхностью волокна и образование на них плёнки жидкости, удаляющейся по мере накопления из слоя в виде струек или крупных капель. При этом обычно не требуется никаких механических воздействий на фильтрующие слои, то есть фильтры работают с постоянным гидравлическим сопротивлением в стационарном режиме саморегенерации. Волокнистые фильтры могут применяться для очистки агрессивных туманов за счёт использования химически стойких волокон.
В волокнистых туманобрызгоуловителях жидкие частицы улавливаются с помощью фильтрующих перегородок из естественных, искусственных или синтетических волокон.
Волокна - твёрдые тела, имеющие форму вытянутого цилиндра, длина которого может превышать диаметр в тысячу и более раз. Классификация волокон по их химическим и морфологическим признакам приведена в табл. 2.1. По технической классификации волокна разделяются: - Прерывные, или штапельные (длиной от 10 до 150 мм); - Непрерывные (длина не регламентируется и может достигать миллионов и более метров). По тонине волокна разделяются: - Тонковолокнистые (диаметр до 20 мкм); - Средневолокнистые (диаметр до 50 мкм); - Грубоволокнистые (до 100 мкм и более).
Поскольку со временем требования к очистке выбросов ужесточаются, появилась необходимость более высокой эффективности очистки, что потребовало перехода к работе фильтров в диффузионном режиме, а это, в свою очередь, привело к разработке тонких и ультратонких стеклянных волокон с диаметром 5-6 и 6-8 мкм, позволяющих достигать эффективности улавливания жидких аэрозольных частиц (капель) порядка 0,99 и более
" Основными механическими характеристиками волокон является прочность, эластичность и модуль упругости, что зависит от их химической природы и физической структуры.
Если рассматривать волокна применительно к использованию их в фильтрах для улавливания жидких аэрозольных частиц (капель), в том числе агрессивных кислот, щелочей, то одним из основных требований, предъявляемых к ним, должна быть химическая стойкость. Одним из видов химически стойких волокон являются стеклянные волокна. Химическая инертность стекломассы такова, что последняя способна сопротивляться любым коррозионным воздействиям и в то же время сама не оказывает никакого влияния на материалы, с которыми соприкасается.
Опыт использования стеклянных тканей для фильтрации различных агрессивных сред показал большую эффективность замены тканей из волокон органического происхождения тканями из волокон неорганического происхождения.
Основные фильтровальные материалы, применяемые в настоящее время в отечественных волокнистых туманоуловителях полипропилен и лавсан относятся к органическим синтетическим материалам и характеризуются безворсовой поверхностью.
Отечественный фильтровальный материал полипропилен [6] прошёл тщательную апрабацию целым рядом институтов (НИИОГАЗ, ЦНИИшерсти, ВНИИВ и НИИНТМ) и был рекомендован для улавливания капель. Оптимальным был выбран диаметр волокна, равный 70 мкм с удельной поверхностной плотностью полотна 400 и 600 г/м2. Материал хорошо регенерируется от загрязнений промывкой водой. Для повышения эффективности улавливания взвешенных частиц диаметр полипропиленовых волокон может быть уменьшен до 20 — 25 мкм.
Другой отечественный материал, применяемый в волокнистых туманоуловителях -лавсан (диаметр волокон 70 мкм). В отличие от полипропилена лавсан отличается большей термостойкостью (130 С).
И полипропилен, и лавсан значительно дешевле аналогичных по свойствам (включая эффективность осаждения частиц) зарубежных образцов.
В качестве перспективной замены этих материалов представляются фильтровальные перегородки из стекловолокна и, возможно, металлических волокон. Отличительной особенностью этих материалов является химическая стойкость.
В связи с интенсификацией технологических процессов в промышленности, увеличением количества тепловых агрегатов и их единичной мощности, возрастает объём пылевых выбросов с отходящими горячими газами, нагретыми до 1000 С. При этом из-за невозможности надёжной утилизации тепла запылённых газов резко снижается КПД тепловых агрегатов и возрастают экологические проблемы.
Необходимая эффективность очистки газов с температурой выше 400 С может быть достигнута при использовании в качестве фильтров элементов из пористых проницаемых керамических материалов [46-56, 84-86].
Пористые проницаемые керамические материалы, которые могут быть использованы для изготовления фильтрующих элементов - особый класс керамических материалов с искусственно создаваемой специальными технологическими приёмами повышенной открытой пористостью (со сквозными каналами), а также регулируемым размером пор и распределением их по размерам. Весь этот класс материалов можно по технологическому принципу разделить на две группы: материалы с организованной и неорганизованной микроструктурой.
К первой группе керамических материалов относятся материалы, изготовленные из порошков, волокон или их смесей. Изделия из такой керамики могут быть изготовлены прессованием, шликерным литьём с последующей сушкой и спеканием. При необходимости после обжига возможна мехобработка. Микроструктура таких материалов, несмотря на определённые статические закономерности, образована случайным распределением структурообразующих элементов (частиц порошка, волокон). Проницаемые материалы из порошков имеют открытую пористость 20 + 45 % и размер пор 5 + 400 мкм; из волокон -30- -90%и5- 200 мкм соответственно.
Вторая группа включает в себя материалы сетчатой, ячеистой и сотовой структуры, т.е. их макроструктура организованна по заранее заданному, известному алгоритму. Материалы сетчатой структуры получают из керамических волокон на текстильном или трикотажном оборудовании, их открытая пористость 20 + 80 %, а размер пор 20 +- 200 мкм. Эти фильтровальные материалы не нашли широкого применения вследствие их быстрого старения при воздействии на них высоких температур и быстрого разрушения при регенерации фильтровальных элементов обратной импульсной продувкой сжатым воздухом. Ячеистые проницаемые материалы изготавливают методом пропитки керамическим шликером ячеистой матрицы из пенополиуретана имеющего только открытую пористость равную 75 + 95 % и размер пор 200 - 5000 мкм. Проницаемые материалы сотовой структуры получают выдавливанием (экструдированием) пластичных керамических масс из порошков или их смесей с волокном через фильеру специальной конструкции. Полученную заготовку сушат и затем обжигают. Пористость таких материалов 50 - - 80 %, а размер каналов, как правило, квадратного сечения - 800 - 7000 мкм.
Различие в природе исходных компонентов, их количестве, морфологии обуславливает различие в их макроструктуре (рис. 2.12 — 2.14).
Вероятностный метод расчёта эффективности низкоскоростной фильтрации
Как показала практика, зависимость фракционной эффективности волокнистых туманоуловителей от размера улавливаемых капель подчиняется нормально-логарифмическому закону распределения независимо от скорости фильтрации. А так как и дисперсный состав взвешенных капель на входе в аппарат практически всегда подчиняется нормально-логарифмическому закону распределения диаметра капель (по массе), для расчёта эффективности волокнистого туманоуловителя, работающего в низкоскоростном (диффузионном режиме), может быть применён вероятностный метод расчёта, используемый для высокоскоростных (инерционных) туманоуловителей [б].
Согласно вероятностному методу расчёта пыле- и каплеуловителей [1, 6], значение эффективности аппарата п определяется на основании величины х - аргумента функции Ф(х)=ц по таблице «Значения нормальной функции распределения» [2].
Величина х рассчитывается из выражения: х = 50 = (3.4) /lg +Ig2 где dso - диаметр частиц, улавливаемых с эффективностью, равной 0,5, м; lgd - стандартное логарифмическое отклонение в функции распределения по массе взвешенных частиц на входе в аппарат; lgc,, - стандартное логарифмическое отклонение в функции распределения по массе взвешенных частиц по фракционной эффективности фильтра. Принятое при расчётах значение lgan = 1,2 соответствует величине lgan для низкоскоростных фильтровальных аппаратов. Для расчёта величины dso может быть использована зависимость от функции: Fl =[ L.(2,0O2-b-- Ur PrrU3-L C K Tr J2/3] (3.5) 7r-de /л 2-7r-y-dm-vr-de полученной при подстановке в формулу 3.2 значения TJ3 , определяемого по формуле (1.17) и раскрытия значений Rex и Ре (здесь dm - медианный диаметр взвешенных частиц, относительно которого рассчитывается и коэффициент Ск).
Считается, что формула (1.17) включающая критерии Ре и Rex, учитывает осаждение взвешенных частиц как за счёт механизма диффузии, так и зацепления. Удовлетворительная сходимость результата экспериментальных исследований по осаждению взвешенных частиц на волокнах с данными, полученными по формуле (1.17) при малых значениях ReT и больших значениях Ре, была установлена в работе [27].
Было проведено сопоставление полученных расчётных зависимостей по эффективности низкоскоростных туманоуловителеи с экспериментальными данными, полученными на промышленных фильтрах (см. рис. 3.14). Расчёт проводили по формуле 3.5 для следующих промышленных фильтров:
1. Низкоскоростные патронные фильтры для улавливания тумана серной кислоты и брызг раствора солей в производстве алкилсульфатов натрия за счёт сульфатирования высших жирных спиртов газообразным триоксидом серы на установке «Сульфурекс» фирмы «М. Баллестра» (Италия): Фильтр работает при скорости 1)г = 7,5 см/сек. В качестве фильтровальной перегородки использовались поливинилхлоридные волокна (ТУ 17 РСФСР 3941-76) (Н = 85 мм, dB = 20 мкм, є = 0,86, ц экспериментальная = 0,98). Улавливались частицы с dm = 2 мкм [34]. При F = 0,047 величина dso составила 0,004.
2. Иглопробивное стекловолокно по ТУ 6-19-330-86 марки ИПФ-650-7А (є = 0,93, dB = 9 мкм). Эксперименты проводились при улавливании капель тумана с dm 0,7 мкм [6]. Толщина фильтровального волокна составила 3 см, скорость фильтрации - 1 см/с, значение эффективности 0,9997. При F = 0,184 величина dso составила 0,001.
Как видно из рис. 3.14 полученные экспериментальные данные хорошо корреспондируются с зависимостью dso = f(Fi). Рис. 3.1 J. Обобщение полученных экспериментальных данных по волокнистым туманоуловимелям. применяемых в промышленности
Помимо рассчитанных выше примеров, низкоскоростные туманоуловители успешно применяются для улавливания аэрозолей серной кислоты, не содержащей твёрдых примесей: после олеумных абсорберов в цехах регенерации отработанной серной кислоты; в системе двойного катализа-двойной абсорбции (ДК/ДА) при наличии олеумного или моногидратного абсорбера; низкоскоростной или двухступенчатый фильтр; при сжигании отработанной серной кислоты (без твёрдых примесей) после промывного отделения; в установках получения серной кислоты методом мокрого катализа на основе сероводорода.
В системах ДК/ДА низкоскоростные фильтры после первой адсорбции (промежуточной) башни служат для защиты теплообменников от конденсации в них кислоты.
Волокнистые фильтры со второй ступенью низкой фильтрации могут использоваться для санитарной очистки аспирационного воздуха от тонкодисперсных аэрозолей соединений свинца применительно к операциям пайки и лужения.
Волокнистый фильтр для санитарной очистки аспирационного воздуха от тонкодисперсных аэрозолей соединений свинца (35]. Фильтр работает при скорости ur = 6 см/с. В качестве фильтровальной перегородки использовался лавсан (Н = 50 мм, !„ = 18 мкм, є — 0,9, т экспериментальная = 0,84). Улавливались частицы с dm = 1 мкм.
Результатом проведённых исследований явились рекомендации по выбору материала фильтровальной перегородки для отечественных керамических фильтров, который был заложен в конструкцию фильтровального патрона при разработке технической документации на фильтр керамический ФКИ-45 производительностью 4 800 м3/ч (см. Приложение 1).
В качестве материала, показавшего хорошие результаты при исследовании низкоскоростной фильтрации газов, был предложен керамический материал № 4 (табл. 3.11).
Фильтровальная установка, состоящая из четырёх модулей фильтра ФКИ-45 была пущена в эксплуатацию в системе очистки газов, образующихся при термическом обезвреживании компонентов химического оружия (г. Морадык Кировская обл.) в 2008 году. Как показали пуско-наладочные испытания, установка работает в соответствии с регламентным режимом.
