Волокнистые фильтры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

фильтр аэрозоль волокнистый дыхательный

Фильтрование является важным механизмом, суть которого состоит в том, что происходит выделение (или удаление) из исходного объекта некоторой части с заданными свойствами.

Существует огромное количество фильтров: фильтры жидкости (от простых бытовых фильтров воды до сложных установок периодического действия для разделения под давлением жидких неоднородных систем на жидкую фазу и твердую фазу), фильтры газа (начиная от примитивного фильтра на сигарете, заканчивая огромными производственными фильтровальными аппаратами), различные фильтры в электронике и электрике, светофильтры, биофильтры и многие другие.

На производствах, в которых происходит образование большого количества загрязненного воздуха, применение фильтров газа просто необходимо с точки зрения экологической безопасности (снижение вредных выбросов), а так же и экономической (уловленные частицы могут быть вторично использованы).

Целью данного реферата является рассмотрение одного из таких фильтров - волокнистого - применение которого широко используется на различных производствах и не только.

Несмотря на достаточно простое строение, заключающееся в создании полотна из волокон различных диаметром, данный фильтр обладает высокой эффективностью.

Мною были рассмотрены различные материалы из учебников и интернет-ресурсов и описаны основные механизмы действия данного фильтрующего материала, а так же примеры использования в различных аппаратах на производствах.

1. Характеристики и свойства волокнистых фильтров

Основным методом улавливания аэрозолей является фильтрация. Для этого используется самые различные фильтрующие материалы. Рассмотрение характеристик и свойств всего многообразия материалов не является целью данного реферата. Существует два вида схожих материалов: мембранные (Рис. 1, а) и волокнистые (Рис. 1, б).

Рисунок 1. Фотографии структуры фильтрующих материалов, применяемых для аналитических целей: a) Мембранный материал. Размер пор 0.1… 5 мкм. б) Материал ФП из фторопласта. (волокнистый материал) Средний диаметр волокон 1 мкм, плотность упаковки 0.03

Мембранные фильтры - это пленки, насквозь пронизанные тонкими извилистыми каналами приблизительно одинакового сечения. Такие фильтры предъявляют собой своего рода сита с размером ячеек в диапазоне от десятых долей 5 мкм.

Волокнистыми фильтрами же называют пористые перегородки, составленные из беспорядочно расположенных, однако более или менее равномерно распределенных по объему волокон, каждое из которых принимает участие в осаждении аэрозольных частиц.

В отличие от мембранных фильтров, фильтрующие материалы из ультратонких волокон широко используются при анализе загрязненности воздуха. Для того, чтобы выбрать фильтр с оптимальными параметрами и подобрать соответствующие режимы отбора пробы, необходимо иметь представление об основных закономерностях улавливания аэрозолей волокнистыми фильтрующими материалами. Поэтому рассмотрим их белее подробно.

1.1 Закономерности улавливания аэрозолей волокнистыми фильтрами

Согласно существующим представлениям, фильтрация аэрозолей рассматривается как процесс осаждения аэрозольных частиц из газового потока на препятствиях (волокнах) при прохождении его через слои волокон. При этом, основными параметрами процесса служат эффективность улавливания частиц (проскок частиц) и сопротивление потоку газа, проходящему через слой волокнистого фильтра.

Если на фильтр поступило N₀ аэрозольных частиц, а сквозь него прошло N частиц (рис. 2), то отношение называется проскоком через фильтр, а E=1-K называется эффективностью фильтра.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. К определению основных характеристик фильтра

Фильтр оказывает сопротивление потоку газа, поэтому давление газа до и после фильтра неодинаково. Давление за фильтром меньше давления перед ним на величину . Эту величину называют перепадом давления на фильтре или сопротивлением фильтра газовому потоку. Иногда употребляют термин «гидродинамическое сопротивление». Величина перепада давления зависит, помимо других параметров, от скорости газового потока U. Перепад давления, измеренный при скорости потока 1 см/с, называется стандартным сопротивлением фильтра и обозначается .

Волокнистые фильтры состоят из тонких волокон, случайно ориентированных в плоскостях, перпендикулярных потоку. Объемная доля волокон или плотность упаковки волокнистых фильтров(а), как правило, невелика (не более 10%). Пористостью фильтра называется величина 1-а.

Увеличивая только лишь толщину Н любого фильтрующего материала без изменения его структуры можно достичь сколь угодно высокой эффективности улавливания аэрозолей. Однако, этим способом мы одновременно увеличиваем его сопротивление воздушному потоку.

Основной закон фильтрации, впервые сформулированный Лэнгмюром, утверждает, что количество монодисперсных частиц, уловленных слоем толщиной , пропорционально толщине слоя и количеству частиц перед фильтром No. Из этого следует, что



где у - коэффициент пропорциональности (коэффициент фильтрации), зависящий от свойств частиц, среды и фильтра. Очевидно, что при фиксированной скорости потока через фильтрующий слой перепад давления на нем прямо пропорционален толщине слоя: . Отношение логарифма проскока к перепаду давления, взятое с обратным знаком, не зависит от толщины фильтра и характеризует его способность к улавливанию аэрозолей:

Чем выше величина q_r называемая качеством фильтра или коэффициентом фильтрующего действия, тем лучше фильтр. Иначе говоря, тем меньшей толщины фильтрующий слой необходим для обеспечения заданной эффективности улавливания. Величина q зависит от свойств частиц и фильтра.

Перечисленные выше характеристики фильтра являются макроскопическими величинами, то есть характеризуют фильтр как целое.

Вполне уместен вопрос: как же достигается высокая эффективность волокнистого фильтра, если его пористость столь высока? Многие ошибочно считают, что аэрозольный фильтр работает подобно ситу, задерживая все частицы крупнее определенного размера и свободно пропуская более мелкие частицы.

Отожествить процесс улавливания с простым отсевом частиц пористой перегородкой нельзя, так как ситовой эффект присущ только для очень крупных аэрозольных частиц. Частицы размером меньше диаметра пор осаждаются на волокнах благодаря нескольким динамическим эффектам, к которым относится: диффузия, зацепление, инерция, электрическое взаимодействие, Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие и гравитация.

Для теоретических расчетов эффективности фильтра и понимания механизмов улавливания частиц используют понятие коэффициента захвата аэрозольных частиц единичным волокнам, . Он определяется как количество частиц (N1), столкнувшихся с волокном единичной длины, отнесенное к количеству частиц (N), находящихся в потоке шириной, равной диаметру волокна . При этом величина N подсчитывается на значительном удалении от волокна.

Задача теории фильтрации аэрозолей состоит в расчете эффективности и перепада давления на фильтре. Эти величины зависят от структуры волокнистого фильтрующего материала (диаметра волокон, плотности упаковки, толщины и равномерности волокнистого слоя), параметров потока (скорости, давления, температуры, вязкости) и характеристик аэрозольных частиц (размеров, плотности, скорости, наличия зарядов и т.д.). В настоящее время возможно рассчитать эффективность и перепад давления лишь в ограниченных диапазонах параметров газа, частиц и фильтра.

В расчетах и оценках перепада давления и эффективности фигурируют параметры, широко используемые в механике сплошных сред: вязкость, число Рейнольдса, число Стокса.

Вязкость газа. Если две параллельные пластины с площадью А, находящиеся в газе на расстоянии у, движутся относительно друг друга со скоростью U, то между пластинами возникает сила внутреннего трения, пропорциональная площади пластин и обратно пропорциональная расстоянию между ними:

Коэффициент пропорциональности называется вязкостью. Единицы измерения вязкости - пуаз(Пз). 1 Пз= .

Число Рейнольдса. Помимо силы внутреннего трения, в газе действуют инерционные силы, связанные с переносом элемента сплошной среды. Инерционная сила равна скорости изменения импульса элемента газа:

В этом выражении U=U (x, y, z, t), причем пространственные координаты так же зависят от времени.

Отношение инерционной силы к силе трения равно числу Рейнольдса, которое играет важную роль в описании движущегося газа. Коэффициенты сопротивления газовому потоку геометрически подобных тел (в нашем случае волокон фильтра) будут равны, если равны соответствующие числа Рейнольдса(Re).

В зависимости от величины Re характер течения газа или жидкости существенно различается. При малых числах Рейнольдса течение ламинарное, при больших - турбулентное, характеризующееся образованием завихрений.

В выражении для Re входит величина L - характерный размер. Если рассматривается течение в канале (например, в трубке для отбора проб аэрозолей), за характерный размер принимается диаметр канала. Если же нас интересует осаждение аэрозоля на волокнах фильтра, то в качестве характерного размера принимают диаметр волокна. Диаметры волокон высокоэффективных фильтрующих материалов не превышают нескольких мкм, в то время как диаметры пробоотборных трубок имеют величины порядка нескольких см. Диаметры вентиляционных каналов на АЭС достигают нескольких метров. Значения Re, при котором течение носит ламинарный характер, различаются для случаев обтекания волокна и для течения в каналах. Если в волокнистом фильтре при Re >5-6 уже наблюдают газовые завихрения вокруг волокна, то в трубах граничное значение Re, при которых течение еще ламинарное и профиль скорости газа по сечению трубы параболический, составляет величины порядка 1000.

Число Стокса. Время релаксации частицы используется для нахождения стационарной скорости ее движения в поле силы тяжести. Если начальная скорость частицы равна Vo при движении в газе в отсутствии внешней силы она, прежде чем остановится, сместится на расстояние (где время релаксации частицы). Эта величина, которая называется расстоянием торможения или инерционным пробегом, играет важную роль в механике аэрозолей, в частности при рассмотрении криволинейного движения частиц. Например, для частицы диаметром 1 мкм и скорости 1 м/с инерционный пробег равен всего = 0.0036 см.

Мельчайшие частицы движутся вдаль линий тока газа. Линии тока искривляются окало препятствия, «обтекая» его, и частицы на нем не осаждаются. Если частица обладает инерцией, достаточной для существенного отклонения от линии тока, в определенных случаях происходит ее осаждение на препятствии.

Отношение инерционного пробега к характерному размеру препятствия, около которого происходит искривление линий тока, называется числом Стокса, St. Например, если препятствие - это цилиндрическое волокно фильтрующего материала диаметром d в газовом потоке, скорость которого вдали от препятствия равна Vo, то

1.2 Механизмы улавливания частиц волокнами фильтра

Существует несколько механизмов взаимодействия аэрозольных частиц волокнами, в результате которого и происходит эффективный захват частиц из газового потока. Прежде всего, отметим, что так называемый «ситовой» механизм (отсеивание частиц крупнее, чем размер поры, и пропускание мелких аэрозольных частиц) является далеко не основным для волокнистых фильтров. (Рис. 3)

Рисунок 3. Эффекты осаждения аэрозольных частиц на волокне фильтра. На частицу действуют внешние силы: Fg - гравитационные; Fq - электрические; Fvdw - Ван-дер-ваальсовые

Диффузия

При малых скоростях фильтрации (в пределах нескольких см/с) определяющим является диффузионный захват частиц волокнами. Аэрозольные частицы не движутся по линиям тока, обтекающим препятствие (в нашем случае - волокно), а смещаются с них из-за постоянных столкновений с газовыми молекулами. Чем меньше размер частиц и ее скорость в направлении волокна, тем больше вероятность столкновения.

Коэффициент диффузионного захвата приблизительно равен:



где Ре=-число Пекле, U₀ - скорость потока, D - коэффициент диффузии аэрозольной частицы. Эта формула применима вплоть до чисел Пекле порядка 0.5 при малых Re и плотностях упаковки до 0,1.

Зацепление

Если частица движется по линии тока в непосредственной близости от цилиндрического волокна, то с увеличением ее размера повышается вероятность того, что она коснется волокна. Этот механизм называется «эффектом зацепления», а коэффициент захвата за счет зацепления рассчитывается по формуле:

Где - параметр зацепления, r - радиус частицы, a - радиус волокна, k - гидродинамический фактор, Kn - число Кнудсена.

Если при нормальных условиях диаметр волокна фильтра сопоставим со средней длиной свободного пробега газовых молекул, необходимо учитывать эффект скольжения газа около поверхности волокна. Он проявляется в том, что с ростом числа Кнудсена Кп перепад давления на фильтре снижается при постоянной скорости течения. В формулах для расчета коэффициентов захвата появляются дополнительные члены, зависящие от Кп. Скольжением газа также нельзя пренебрегать, если фильтрация газа ведется при низких давлениях, так как растет длина свободного пробега и число Кнудсена.

В целом, с ростом Кп осаждение частиц в фильтре увеличивается, особенно если преобладает эффект зацепления.

Инерция

Крупная и (или) тяжелая частица смещается с линии тока за счет инерции и может столкнуться с волокном. Вероятность столкновения зависит от чисел Стокса (St) и Рейнольдса (Re). В частности, при Re < 0.5 (2.9)

Существует критическое значение St, ниже которого инерционное осаждение частиц не проявляется. Для цилиндрических волокон:

Инерционный захват субмикронными волокнами фильтра преобладает над другими механизмами улавливания субмикронных и микронных частиц, если скорость фильтрации более 1 м/с. Это ведет к тому, что эффективность фильтра резко повышается с ростом размера частицы (пропорционально квадрату радиуса) и ее скорости.

Электрическое взаимодействие

Если частица и волокно фильтра заряжены, вероятность захвата частицы за счет кулоновского взаимодействия возрастает. Этот эффект широко используется в различных устройствах - пылеуловителях. В некоторых фильтровальных установках частицы специально заряжают в поле коронного разряда для повышения эффективности фильтрации (в атмосфере установившийся заряд на аэрозольных частицах подчинен распределению Больцмана и, как правило, не превышает 2-3 элементарных зарядов).

Волокна фильтрующих материалов ФП (фильтрующее полотно - ткань академика И.В. Петрянова) в процессе производства получают очень высокий электростатический заряд, поэтому они широко используются в одноразовых средствах индивидуальной защиты органов дыхания.

Начальная эффективность улавливания аэрозольных частиц заряженными волокнистыми фильтрами может на несколько порядков величины превышать эффективность незаряженного материала. Заряд, находящийся в материалах ФП, сохраняется многие годы при хранении материалов, однако в процессе эксплуатации при фильтрации влажного воздуха заряды стекают с волокон, и в дальнейшем эффективность в основном определяется упомянутыми выше механизмами диффузии, зацепления и инерции.

Заряд с волокон материалов ФП можно также практически полностью удалить, помещая их в поле мощного источника гамма-излучения. Другой способ состоит в смачивании волокнистого материала этиловым спиртом и последующем его высушивании.

Отметим также, что вклад электростатического механизма достаточно быстро снижается при увеличении скорости фильтрации, и им часто можно пренебречь при скоростях более 0.5-0.6 м/с.

Коэффициент захвата за счет электрических сил функционально связан с безразмерным параметром:

где Q - заряд волокна единичной длины, q - заряд частицы, - электрическая постоянная, - вязкость газа, - диаметры частицы и волокна, соответственно, U - скорость частицы. Параметр представляет cобой отношение скорости дрейфа частицы под действием электрического поля на фиксированном расстоянии от оси волокна к конвективной скорости частицы.

Для чисто кулоновского взаимодействия заряженной частицы с равномерно заряженным изолированным волокном:

Приходится, однако, рассматривать несколько вариантов взаимодействия аэрозольной частицы с волокном:

· и частица, и волокно заряжены;

· частица нейтральна, а волокно заряжено:

· частица заряжена, волокно в целом нейтрально, но имеется ненулевая поверхностная плотность заряда

· то же для нейтральной частицы.

Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие

Если незаряженные волокна фильтра очень тонкие (менее 0.5 мкм), а скорости фильтрации невелики (порядка 1 см/с), то на эффективность осаждения аэрозольных частиц заметное влияние оказывают силы межмолекулярного взаимодействия, или силы Ван-дер-Ваальса. Для точечных частиц получена аналитическая зависимость коэффициента захвата за счет Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия:

где E - эллиптический интеграл второго рода, Л₇ - константа запаздывания дисперсионного взаимодействия конденсированных сред, U - скорость газового потока, - вязкость газа, к - гидродинамический фактор. В некоторых случаях пренебрежение этим механизмом ведет к занижению до 30% эффективности фильтра.

Гравитационный эффект

Сила тяжести, действующая на аэрозольную частицу, влияет на коэффициент захвата. Этот эффект существенен для достаточно тяжелых частиц и наиболее отчетливо проявляется при фильтрации газов «снизу вверх» или «сверху вниз». В первом случае суммарный коэффициент захвата растет, во втором - снижается на величину:

Где G - отношение скорости гравитационного осаждения к скорости фильтрации.

Совместное действие механизмов фильтрации

Все перечисленные выше механизмы улавливания аэрозольных частиц волокнистым фильтром в процессе действуют одновременно. При расчетах эффективности фильтра важно оценить вклад каждого механизма в суммарный коэффициент захвата, чтобы прогнозировать изменение эффективности фильтра при изменении параметров фильтрации.

Рассматривая прохождение частицы в непосредственной близости от волокна, трудно точно разделить захват за счет диффузии и зацепления или за счет зацепления и инерции.

Отсутствие надежных экспериментальных данных, полученных с использованием реальных волокнистых фильтров, не позволяют проверить расчетные величины коэффициентов захвата.

Ввиду того, что с увеличением размера частиц вклад диффузионного осаждения падает, а зацепления - растет, существует размер частиц, при котором фильтр имеет минимальную эффективность. Этот размер зависит от скорости фильтрации и параметров фильтра. Учет Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия частицы с волокном смешает минимум эффективности в сторону меньших значений, чем в случае учета лишь диффузии и зацепления. Учет инерции частицы не ведет к изменению величины наиболее проникающих частиц.

1.3 Наиболее проникающий размер

Размер частиц, при котором эффективность фильтра имеет наименьшее значение, называется наиболее проникающим размером, г*. Его можно найти, приравняв производную суммарного коэффициента захвата к нулю.

Например, для фильтра с диаметрами волокон 1.5 мкм и плотностью упаковки волокон 0.03 при скорости фильтрации 1 см/с диаметр наиболее проникающих частиц равен 0.35 мкм. Это означает, что частицы диаметром 0.2 и 0.5 мкм улавливаются с большей эффективностью, чем частицы с диаметром 0.35 мкм.

Так как в устройствах для очистки газов используются режимы фильтрации, при которых скорости потоков невелики, испытания эффективности фильтров и респираторов должны проводиться по частицам наиболее проникающего размера. Для этого используют генераторы монодисперсных аэрозолей. Поэтому паспортное значение эффективности волокнистого фильтра является минимальным, и реальная эффективность улавливания аэрозолей по отношению к более крупным и более мелким частицам всегда выше.

Важно понимать, что с ростом скорости фильтрации меняется и значение r*. На рис. 4 приведен расчет зависимости наиболее проникающего размера от скорости фильтрации и диаметра волокон.

Рисунок 4. Изменение наиболее проникающего размера частиц с ростом скорости фильтрации. Кривые приведены для волокон диаметром от 0.4 до 7 мкм

Так как применение волокнистых фильтров предполагает высокоскоростную фильтрацию, необходимо знать эффективности используемых фильтров в широком диапазоне скоростей и размеров частиц.

Однако, для оценки качества фильтра необходимо знать не только его эффективность, но и перепад давления при рабочей скорости газового потока. Очевидно, если материал однородный, перепад давления пропорционален толшине материала. Величина зависит также от диаметра волокон, скорости потока, вязкости и плотности упаковки фильтра. Зависимость перепада давления от скорости фильтрации при числах Рейнольдса меньше 0.5 выражается формулой:

Где - безразмерная сила, действующая на единичную длину волокна, k - гидродинамический фактор.

1.4 Волокнистые фильтрующие материалы ФП

Как следует из теории фильтрации, для улавливания средне- и высокодисперсных аэрозолей наиболее пригодны фильтрующие материалы из ультратонких волокон. К таким материалам, выпускаемым отечественной промышленностью, относятся и полимерные фильтрующие материалы из волокон диаметром 0.3… 10 мкм, известных под маркой ФП (фильтры Петрянова). Наибольшее распространение материалы ФП получили при производстве средств индивидуальной зашиты органов дыхания, фильтров тонкой очистки газов (воздуха) и средств анализа аэрозолей.

Материалы ФП - это целый класс тонковолокнистых полимерных материалов с различными физико-химическими свойствами. Материалы ФП представляют собой равномерные слои ультратонких полимерных волокон. Часто волокна в процессе изготовления фильтрующего материала наносятся на тканевую основу (марлю) или на каркас из скрепленных между собой более толстых полимерных волокон, которые придают материалу дополнительную прочность. Некоторые материалы ФП состоят из одинаковых волокон, некоторые состоят из смеси волокон двух различных диаметров. Основной отличительной чертой этих фильтров является высокая эффективность задержания мельчайших частиц, в том числе и наиболее проникающих при сравнительно низком аэродинамическом сопротивлении.

При получении материалов ФП используется тот же принцип, что и при электростатическом распылении жидкостей. Под действием высокого напряжения из полимерного раствора через капилляр вытягивается тонкая нить, которая до осаждения на коллектор успевает многократно расщепиться, а образованное волокно - высохнуть. Волокна укладываются случайным образом, образуя статистически однородную и равномерную структуру.

На рис. 5 приведены фотографии ультратонких волокон фильтрующих материалов ФП различного диаметра, выполненные с помощью электронной микроскопии.

Рисунок 5. Ультратонкие волокна материалов ФП различного диаметра.

2. Виды волокнистых фильтров, характеристики и их применение

В основе работы волокнистых фильтров лежит процесс прохождения газового потока через фильтровальную перегородку, в ходе которой взвешенные частицы задерживаются в ней, а газы полностью проходят через нее (как уже упоминалось выше).

Волокнистые фильтры представляют собой слои различной толщины, в которых более или менее однородно распределены волокна. Это фильтры объемного действия, так как они рассчитаны на улавливание и накапливание частиц преимущественно по всей глубине слоя.

В связи с высокой пористостью аэрозольные частицы легко проникают в глубину пористой перегородки. Регенерация отработавших волокнистых фильтров в большинстве случаев затруднена и нерентабельна. По окончании срока службы отработавшую фильтрующую среду заменяют новой.

Вследствие этого волокнистые фильтры применяют главным образом для фильтрации слабозапыленных потоков с концентрацией пыли не более 5 мг/м³. Волокнистые фильтры широко применяют для очистки атмосферного воздуха в системах приточной вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления, а также в ряде установок специального назначения.

Волокнистые фильтры, применяемые для улавливания твердых или жидких частиц из газов и воздуха во время проведения технологических процессов или выбрасываемых в атмосферу, называют промышленными, в отличие от воздушных, предназначенных для очистки атмосферного воздуха от пыли в системах приточной вентиляции.

2.1 Промышленные волокнистые фильтры

К промышленным волокнистым фильтрам относятся:

· Сухие: тонковолокнистые, глубокие, фильтры предварительной очистки (пред - фильтры);

· Мокрые: сеточные, самоочищающиеся, с периодическим или непрерывным орошением.

Промышленные волокнистые сухие фильтры. Тонковолокнистые фильтры предназначены для улавливания высокодисперсных аэрозолей с эффективностью не менее 99% по наиболее проникающим частицам (размером 0,05…0,5 мкм). Фильтрующие материалы применяют в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметром менее 2 мкм). Скорость фильтрации в них составляет 0,01…0,15 м/с, сопротивление чистых фильтров обычно не превышает 200…300 Па, а забитых пылью фильтров 700… 1500 Па. Улавливание частиц в фильтрах тонкой очистки происходит в основном за счет броуновской диффузии и эффекта касания, поэтому очень важно для изготовления их использовать волокна диаметром 0,1… 1 мкм.

Регенерация отработанных фильтров тонкой очистки в большинстве случаев нерентабельна или невозможна. После длительной работы (в течение 0,5 - 3 лет) его заменяют на новый. Концентрация сухой пыли на входе в такой фильтр не должна превышать 0,5 мг/м3, иначе его придется слишком часто менять. Часто перед фильтрами тонкой очистки следует устанавливать более простые по конструкции и дешевые пылеулавливающие аппараты для снижения концентрации пыли до 0,5 мг/м3 и ниже.

Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна отвечать следующим основным требованиям: наибольшей поверхности фильтрации при наименьших габаритных размерах; минимальному сопротивлению; возможности более удобной и быстрой установки; надежной герметичности групповой сборки отдельных фильтров.

Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют распространенные в настоящее время фильтры рамочной конструкции (рис. 6). Фильтрующий материал 4 в виде ленты укладывается между П-образными рамками. чередующимися при сборке пакета открытыми и закрытыми сторонами в противоположных направлениях.



Рисунок 6. Схема волокнистого фильтра типа ЛАИК (рамочная конструкция)

1 - фильтрующий материал, 2 - кривообразная рамка

Глубокие фильтры используют при сравнительно коротком сроке непрерывной работы. Это многослойные глубокие фильтры, называемые иногда фильтрами долговременного использования. Такие фильтры состоят из глубокого лобового слоя грубых волокон и более тонкого замыкающего слоя тонких волокон, причем плотность упаковки волокон изменяется по глубине. Многослойные фильтры рассчитаны на непрерывную работу в течение 10-20 лет.

Фильтры грубой или предварительной очистки (грубоволокнистые) снижают начальную концентрацию аэрозоля при высокоэффективной очистке газов, низком начальном аэродинамическом сопротивлении (100… 200 Па) и высокой пылеемкости. Такие фильтры значительно дешевле (иногда в 10 раз), чем фильтры тонкой очистки, и их можно легко заменять или регенерировать.

На работе фильтров особенно неблагоприятно отражается содержание в газе частиц гигроскопичных солей, а также конденсация паров воды в фильтрующем слое, так как при этом образуются отложения в виде непроницаемой корки, что приводит к выводу фильтра из строя.

Промышленные волокнистые мокрые фильтры (волокнистые туманоуловители). Среди промышленных и аспирационных выбросов заметное место принадлежит туманам - аэрозольным системам, дисперсную фазу в которых составляют взвешенные в газовом потоке капли жидкости.

Волокнистые (сеточные) фильтры - туманоуловители, принцип действия которых основан на захвате жидких частиц волокнами при пропускании туманов через волокнистый слой с непрерывным выводом из него уловленной жидкости, широко применяются в промышленности.

Выгодно отличаясь по многим параметрам от электрофильтров и срубберов Вентури, волокнистые фильтры обладают существенным недостатком - возможностью зарастания при наличии в тумане значительного количества нерастворимых твердых частиц и при образовании в слое нерастворимых солевых отложений (CaS04. CaC03. CaF2. CaS03) за счет взаимодействия солей жесткости воды с газами С02, S02. HF и др.

Туманоуловители отличаются высокой степенью очистки. Кроме того, они имеют несложную конструкцию, надежны в работе, просты в установке и эксплуатации, а самое главное - способны очистить тонкодисперсные туманы до абсолютно любой остаточной концентрации. Однако у этих аппаратов есть один довольно большой недостаток - они могут зарасти, если в тумане присутствует значительное количество твердых частиц. При улавливании туманов очень большую роль играет относительная влажность газа. В том случае, если ее величина ниже равновесной влажности, то на волокнах фильтра начинает появляться плотная солевая оболочка, которая быстро увеличивается. Во избежание этого в газы добавляют, так называемый, «мятый» пар, то есть распыленную жидкость или же сам слой орошают из форсунок.

Различают три основных типа фильтров-туманоуловителей:

1) Низкоскоростные (х < 0,2 м/с) - состоят из волокон, диаметр которых составляет от 4 до 22 микрон с пористостью от 86 до 94 процентов и толщиной набивки от 0,008 до 0,12 метра. Элемент конструкции данного фильтра состоит из двух сеток цилиндрической формы, расположенных относительно друг друга соосно, которые изготовлены из проволоки диаметром 3,2 миллиметра, приваренных к патрубку-фланцу и дну; дно имеет трубку, которая погружена в стакан-гидрозатвор; пространство между двумя сетками заполнено волокном. В корпусе фильтра может быть установлено от 1 до 70 элементов, их количество зависит от производительности газа.

2) Высокоскоростные (х > 0,5 - 1,2 м/с) - имеют слой грубых волокон, диаметр которых составляет от 20 до 100 микрон. Данные фильтры-туманоуловители предназначены для выделения из газа частиц более 1 микрона.

3) Многоступенчатые - состоят из двух или трех высокоскоростных и низкоскоростных фильтров, в которых первая ступень работает на скоростях, превышающих критическую. Эта ступень укрупняет улавливаемые капли при больших концентрациях тумана. Данные фильтры-туманоуловители предназначены для улавливания аэрозолей растворимых аммонийных солей от грануляционных башен и нейтрализаторов.

Волокнистые фильтры с периодической или непрерывной промывкой широко применяются для улавливания капель тумана растворов кислот, солей и щелочей при проведении операций травления металлических изделий и гальванопокрытий. На рис. 7 показан фильтр ФВГ-Т, предназначенный для очистки аспирационного воздуха от частиц хромовой и серной кислоты на ваннах электрохимического хромирования. Выпускаются пять типоразмеров подобных фильтров производительностью 5000…80000 м³/ч.

Эффективность очистки в аппарате не превышает 96% при сопротивлении до 700 Па. При достижении гидравлического сопротивления 700 Па фильтрующая перегородка промывается водой из форсунки.



Рисунок 7. Волокнистый фильтр ФВГ-Т: 1 - корпус; 2 - кассета с фильтрующим материалом; 3 - люк для промывки; 4 - люк для смены кассеты; 5 - форсунка для промывки шлангом

Опытным путем была установлена высокая эффективность волокнистых туманоуловителей при улавливании капель фосфорной кислоты во время испытания фильтра производительностью 20000 м/ч на действующей системе получения термической фосфорной кислоты. При скорости фильтрации о 2,6 до 6,1 м/с эффективность превысила 0,99.

Волокнистые туманоуловители типа ФВМ используются на металлообрабатывающих заводах для улавливания капель масла, образующихся при металлообработке на станках. использующих смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС).

Сеточные брызгоуловители широко применяются для очистки грубодисперсных туманов и брызг. Каплеуловители состоят из пакетов вязаных металлических сеток, которые при высокой нагрузке по улавливаемой жидкости и большой скорости потока устойчиво сохраняют форму и размеры ячеек. Сетки трикотажного плетения изготовляются из проволок диаметром 0,2…0,3 мм, материалом для них служат легированные стали (мягкие сорта), монель - металл, сплавы на основе титана или других коррозионно-стойких металлов, а также фторопластовое и пропиленовое моноволокно (леска); размеры ячеек составляют 2… 10 мм.

Сетки гофрируют (высота гофр 3… 10 мм) и с целью получения максимальной пористости слоя укладывают в пакеты так, чтобы складки соседних сеток не совпадали, толщиной 50…300 мм. Для аппаратов диаметром менее 2 м сетки свертывают в цилиндрические сплошные элементы. Для установки внутри выпарных аппаратов и скрубберов большого диаметра пакеты изготовляют стандартных размеров и формы, что позволяет вести их монтаж через люки (рис. 8). Допустимая скорость газов (пара) составляет 1… 6 м/с.

Рисунок 8. Сеточный сепаратор для колонных аппаратов: 1 - опорное кольцо; 2 - дополнительная опора; 3 - фильтрующий материал

2.2 Воздушные волокнистые фильтры

В связи с многообразием требований, предъявляемых к фильтрам, разработано много конструкций воздушных фильтров и фильтрующих элементов.

Воздушные фильтры класса 3, составляющие большинство, почти полностью работают на эффекте осаждения. В фильтрующих материалах предусматриваются большие промежутки между улавливающими элементами для максимального снижения сопротивления потоку при высокой скорости фильтрации (1,5…3 м/с).

Чтобы сухие частицы не отскакивали от волокон при такой скорости потока и не выносились после осаждения из фильтра, его слои промасливаются. Одновременно масло защищает металлические сетки от коррозии.

Для обеспечения непрерывного действия воздушных фильтров и упрощения их обслуживания, особенно при больших расходах воздуха с концентрацией пыли до 10 мг/м разработаны установки с автоматической регенерацией или заменой фильтрующей поверхности.

Самоочищающиеся масляные фильтры типа КДМ являются секциями кондиционеров (рис. 9); они состоят из непрерывно движущейся в вертикальной плоскости фильтрующей бесконечной панели сеток и масляной ванны. Скорость потока воздуха в таких фильтрах обычно составляет 2,5…2,6 м/с.

Рисунок 9. Масляный самоочищающийся фильтр типа КДМ:

1-механизм промывки газов; 2-сетки;

3 - маслосъемник; 4 - система подогрева масла, 5 - масляная ванна, 6 - шнек

Самоочищающиеся масляные фильтры применяют для очистки воздуха, подаваемого в залы с электрическими машинами; используют для защиты мощных стационарных дизелей и воздушных компрессоров, а также в большинстве вентиляционных систем различных производств.

Воздушные фильтры класса II, предназначенные для более высокой по сравнению с фильтрами класса III степени улавливания атмосферной пыли, применяют волокнистые предфильтры, в которых используются фильтрующие материалы из тонких синтетических или стеклянных волокон диаметром 2… 15 мкм. Такие материалы позволяют увеличить улавливание мелких частиц за счет преобладающего действия эффектов касания и диффузии. Скорость фильтрации обычно принимают 0.05…0,25 м/с, поэтому для сохранения высокой производительности установки должны иметь весьма развернутую поверхность.

Воздушные фильтры класс I располагают в рабочих помещениях, в которых требуется поддерживать стерильные условия или особенно высокую чистоту воздуха. Это фильтры тонкой очистки с коэффициентом проскока не более 0,03%. При этом случае концентрация частиц пыли или микроорганизмов в выходящем из фильтров воздухе приближается к нулю.

2.3 Волокнистые фильтры в качестве бактериально-вирусных дыхательных фильтров

Изобретение относится к области изготовления фильтровальных материалов для дыхательных фильтров и предназначено для использования в медицине, в частности в процессе анестезии и искусственной вентиляции легких. Материал содержит волокнистые слои из смеси вискозных, полипропиленовых и бикомпонентных волокон, скрепленных с дублирующей подложкой. Поверхностная плотность полученного фильтровального материала составляет 100-500 г./м², воздухопроницаемость 550-850 дм³/м²с, гигроскопичность 25,0-47,5%. Объектами изобретения также являются варианты способа изготовления нетканого фильтровального материала, первый из которых предусматривает обработку вискозных и полипропиленовых волокон водным раствором хлористого кальция с массовой концентрацией 100-500 г./дм³. В обоих вариантах сушку обработанных материалов проводят при температуре, не превышающей 80°C, и термообработку горячим воздухом при температуре 120-145°C. Технический результат - получение пористого гидрофильного фильтровального материала с высокой воздухопроницаемостью и формоустойчивостью, обеспечивающего увлажнение и согревание воздуха, поступающего в легкие пациента через дыхательный фильтр при эндотрахеальной анестезии и искусственной вентиляции легких.

Заключение

В заключении, проанализировав материал можно сделать следующие выводы.

Волокнистые фильтры намного эффективнее и производительнее рукавных - скорость фильтрования в них в несколько десятков раз выше, да и эффективность улавливания капель чуть ли не 100%. Это обусловлено тем, что в данных фильтрах используется совершенно новый способ очистки промышленных газов от растворимых частиц и капель тумана. В волокнистых фильтрах газ пропускается через специальный волокнистый туманоуловитель, который представляет собой слой войлока, состоящий из множества синтетических волокон.

Волокнистые фильтры сегодня в основном применяются в производствах термической фосфорной и серной кислоты, где они выступают в роли уловителей брызг при упаривании и концентрировании щелочей и кислот. Кроме этого, они нередко используются в скрубберах (аппараты промывки газов) в качестве абсорбционной насадки, задача которой - улавливать различные газообразные примеси (например, примеси, содержащиеся в вентиляционных выбросах гальванических цехов).

Применение данных фильтров все же несколько ограничено в силу того, что при очистке газов, содержащих твердые частицы, волокнам обязательно нужна периодическая промывка, да и в принципе данный вид фильтров тяжело поддается регенерации и в большинстве случаев единственным выходом является замена фильтрующего материала. Именно по этой причине волокнистые фильтры применяют в основном для очистки малозапыленных потоков.

Волокнистые фильтры превосходят тканевые еще и в том, что они способны улавливать не только пыль, но и жидкие аэрозоли.

В целом, применение волокнистых фильтром имеют ограниченный характер, но в современном мире существуют различные разработки расширения дипазона из использования.

Так, например, можно найти огромное количество трудов, описывающих применение волокнистых фильтров не только в производственных целях, но и в аналитических и даже в медицинских исследованиях, т.к. определенный вид волокна в определенных создаваемых условиях способен улавливать различные вирусы и микроорганизмы.

Список использованной литературы

1. Будыка А.К, Борисов Н.Б. Волокнистые фильтры для контроля загрязнения воздушной среды - Москва: ИздАТ, 2008 г.

2. Огурцов А.В. Разработка высокоэффективных волокнистых фильтров для улавливания высокодисперсной жидкой фазы вентиляционных выбросов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук - Воронеж, 2004 г.

3. Аграновский И.Е. Поведение аэрозольных частиц в волокнистых средах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. - Москва, 2008 г.

4. Научно-технические основы и разработка аппаратов улавливания высокодисперсной жидкой фазы (туманоуловителей). Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - Воронеж, 2001 г.

5. Статья: Волокнистые фильтры. Туманоуловители. [http://www.oil-filters.ru/fibrous_filters.php], 2010 г.

6. Вопрос 28.4.2. Волокнистые фильтры [http://studopedia.info/1-104138.html], 4014 г.

Размещено на Allbest.ru

...