ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 5, с. 562-567
УДК 532.517:66.067
ФИЛЬТРАЦИЯ УНИПОЛЯРНО ЗАРЯЖЕННЫХ СУБМИКРОННЫХ АЭРОЗОЛЕЙ ВОЛОКНИСТЫМИ ФИЛЬТРАМИ В ПРИСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ © 2010 г. А. В. Загнитько
Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва Институт молекулярной физики, Москва zagnitko@imp.kiae.ru Поступила в редакцию 27.04.2009 г.; после доработки 23.12.2009 г.
Исследована фильтрация униполярно заряженных субмикронных аэрозольных капель диаметром 0.1—4 мкм волокнистыми фильтрами, поляризованными внешним электрическим полем с напряженностью до 10 кВ/см. Показано, что экспериментальные значения коэффициента захвата заряженных частиц для "веерного" модельного фильтра с однородной волокнистой структурой существенно превышают величины коэффициента захвата незаряженных частиц за счет диффузионного осаждения и зацепления. Разработаны системы высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей с малым сопротивлением и расходом до 105 м3/ч на основе электрофильтрации и фотокатализа.
ВВЕДЕНИЕ
В области максимального проскока субмикронных аэрозольных частиц для расчета эффективности их улавливания за счет неаддитивного зацепления и диффузионного осаждения на волокнах фильтров предложены модели, которые согласуются с экспериментальными данными [1—5].
Известно, что использование электростатических эффектов позволяет существенно увеличить эффективность очистки газа [5—9]. При этом значительный интерес представляет анализ закономерностей улавливания заряженных частиц волокнистыми фильтрами, поляризованными внешним электрическим полем.
Цебель [6] теоретически исследовал осаждение положительно заряженных аэрозольных частиц на цилиндре, перпендикулярном направлению вязкого газового потока и поляризованном внешним электрическим полем с напряженностью Е. В результате было показано, что коэффициент их захвата ^на незаряженном волокне (линейный диполь) может быть рассчитан по формуле
Z = [1 + (е - 1)/(е + 1)][ВдЕ/(и + ВдЕ)] =
= [1 + (е-1 )/(е + 1)][иЕ/(и + иЕ)]. ()
Здесь е — относительная диэлектрическая проницаемость материала цилиндра, В — электрическая подвижность аэрозольной частицы с зарядом 1е, где е = 1.6 х 10-19 Кл — элементарный электрический заряд, иЕ = ВдЕ — скорость движения заряженной частицы с зарядом д под действием внешнего элек-
трического поля с напряженностью Е; и — линейная скорость течения газа на бесконечном расстоянии от цилиндра.
Формула (1) получена для расчета осаждения положительно заряженных аэрозольных частиц,
когда векторы скорости течения газа и и напряженности внешнего электрического поля Е параллельны (и ТТ Е). Если векторы непараллельны (и Т4- Е), то величина Z = 0. При выводе формулы (1) инерционный захват, диффузионное осаждение и зацепление частиц, а также влияние зеркальных сил не учитывались.
Теоретические расчеты осаждения униполярно заряженных аэрозолей на волокнах фильтров, поляризованных внешним электрическим полем, весьма сложны, так как распределения скорости течения газа, напряженности электрического поля и электрического заряда на волокнах рассчитать затруднительно. Экспериментально этот вариант электростатической фильтрации исследован недостаточно [5—9].
Целью данной работы являлось экспериментальное изучение осаждения униполярно заряженных субмикронных аэрозольных частиц диаметром d = 0.1—4 мкм на волокнах фильтров с большой пылемаслоемкостью, поляризованных внешним электростатическим полем с Е < 10 кВ/см при числах Рейнольдса Яе = р иД/ц ^ 1 и Кнудсена Кп = = Х/Д < 1, где Д — диаметр волокна, X — средняя длина свободная пробега молекул газа, р и ц — его плотность и динамическая вязкость, соответственно.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования проводились с "веерным" модельным фильтром с однородной волокнистой структурой, состоящей из набора слоев [1]. Каждый слой выполнен в виде решетки из одинаковых цилиндрических волокон и повернут на произвольный угол. Диаметр поликапроамидного (капрон) волокна В = = 43 мкм; количество слоев волокон = 25 и 50; их толщина соответственно Н~ 0.11 и 0.22 см; расстояние между волокнами в каждой решетке к = 0.1 см; плотность упаковки а « 3.38%; сопротивление АР0 < <0.1 Па при скорости фильтрации воздуха 1 см/с в нормальных условиях; величина е = 3.6; удельное объемное электрическое сопротивление капрона составляет (5—10) х 1014 Ом/см. Электростатическое влияние соседних волокон в первом приближении можно было не учитывать, так как отношение (В/2)2/к2 < 0.001 [6].
Кроме веерного фильтра исследовался плоский фильтр из полидисперсных цилиндрических волокон с нормальным распределением по диаметрам и неоднородной структурой материала: средний арифметический диаметр полипропиленовых волокон (В) ~ 35 мкм; дисперсия их размеров аФ = = (В2)/((В))2 — 1 ~ 0.3; толщина Н = 1.5 см; масса фильтроматериала составляет 200 мг/см2; плотность упаковки а = 14%; длина волокна на см2 фильтрующей поверхности Ь ~ 104 см; величина е = 2.2; удельное объемное электрическое сопротивление варьируется от 1016 до 1017 Ом/см. Этот фильтрующий материал используется в системах предварительной очистки газов, характеризуется большой пылемаслоемкостью, малым сопротивлением АР0 = 2 Па при и = 1 см/с в нормальных условиях и соответствует классу G4 согласно ГОСТ Р51251-99 [10]. В зависимости от химического состава и структуры осадка величина пылемаслоемкости составляет от 100 до 200 мг/см2 и значительно превосходит аналогичный параметр современных НЕРА и ULPA волокнистых фильтров [1—5].
Для снятия первоначального заряда с волокон фильтры облучались альфа- и бета-излучением на воздухе в течение 12 часов. Скорость образования газовых ионов составляла 107—108 ионов/(см3 с).
Плоский изолированный фильтр помещался между решетками, подключенными к источнику постоянного высокого напряжения. Поскольку на решетках и в коммуникациях имело место некоторое осаждение заряженных частиц, для определения эффективности их осаждения на волокнах поток аэрозоля поочередно пропускали через компенсатор и фильтрационный модуль одинаковой геометрии (в компенсаторе фильтр не был установлен). При этом ток утечки через фильтр составлял менее 0.1 мкА при напряженности внешнего электрического поля Е < 10 кВ/см. Величина Е рассчитывалась по формуле плоского конденсатора.
Измерение эффективности фильтров осуществлялось на стенде их анализа нефелометрическим методом с помощью фотометра "ФАН-А", а также путем униполярной зарядки частиц газовыми ионами и последующего определения тока переноса потока униполярно заряженных аэрозолей до и после фильтра [11—14]. При этом использовались монодисперсные субмикронные аэрозоли дибутилфтала-та и диэтилгексилсебацината, для которых величина стандартного геометрического отклонения размеров < 1.3 [3], а также туман полидисперсных субмикронных капель турбинного масла ТП22 (Рй < 1.8). Капли дибутилфталата и диэтилгексилсебацината получали гетерогенной конденсацией паров на ядрах хлористого натрия в генераторах аэрозолей типа "КУСТ" [1, 3], а туман турбинного масла ТП22 — распылением в туманообразователе "ТО-52" [13]. Размер частиц с d < 0.3 мкм определялся путем измерения их коэффициента диффузии, а частиц с d > 1 мкм — по скорости седиментации в ультрамикроскопической кювете. Методика получения аэрозолей, определения их размера и заряда описана в
[11-14].
Униполярную зарядку частиц осуществляли в модифицированном заряднике Хьюита с корони-рующим проволочным электродом [13-16]. Для устранения неоднородного профиля скорости газового потока в зоне зарядки частиц, создания одинаковой концентрации ионов (электронов в случае электроположительного газа) и однородного электрического поля аэрозольный поток пропускался по центру зоны зарядки в виде тонкой струи, которая коаксиально обдувалась фильтрованным газом. Подробное описание зарядных устройств приведено в [14, 15].
Частицы заряжали положительными униполярными ионами в воздухе и азоте, а также электронами в чистом азоте (содержание примесей < 0.05 об. %) при фиксированных значениях параметра зарядки, определяемого как произведение электрической проводимости газа а = ]/Е0 на время зарядки частиц Здесь ] и Е0 — соответственно плотность тока и напряженность электрического поля в зоне зарядки частиц. Процесс захвата ионов (электронов) аэрозольными частицами является стохастическим, поэтому для уменьшения флуктуаций зарядов величина параметра а1 > 2 х 10-10 (Ом м)-1 с [14—16].
Использование электроположительного азота было обусловлено тем, что значения заряда аэрозольных частиц, заряженных электронами, существенно превышают величины их заряда ^ в униполярной ионной атмосфере при одинаковых значениях параметра а1 и напряженности поля Е0 [14—16]. Кроме того, использовался электроотрицательный атмосферный воздух. Как известно, в этом случае при одинаковых значениях а1 и Е0 абсолютная величина заряда частиц, не зависит от знака и спектра ионов по подвижности [14—16].
z (а)
Е, кВ/см
z (б)
Е, кВ/см
z (в)
Е, кВ/см
Рис. Зависимость экспериментальных (1, 2) и теоретических (3) значений коэффициента захвата Z положительно заряженных монодисперсных частиц от величины Е при и = 6 см/с: (а) — капли диэтилгексил-себацината, d = 0.1 мкм; (б) — капли дибутилфталата, d = 0.27 мкм; (в) — капли дибутилфталата, d = 3.1 мкм; 1 — векторы и ТТ Е; 2 — векторы И Т1 Е.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке для веерного фильтра приведены экспериментальные и теоретические значения коэффициента захвата положительно заряженных монодисперсных аэрозольных капель с d = 0.1, 0.27 и 3.1 мкм от величины Е при и = 6 см/с. Соответственно, их средний арифметический заряд состав-
лял д, = 2.5, 15 и 880е при at = 2.27 х 10—10 (Ом м)—1 с, а величина относительных флуктуаций зарядов Ад/д, = [Ъп (дп - д1)2/(/ - 1)]1/2/д1 * 0.6, 0.07 и 0.07 [14-16]. Здесь J > 1 — число частиц диаметром d. Характерные гистограммы распределения зарядов для монодисперсных частиц, обусловленные стохастической природой их зарядки, приведены в [14—16]. Экспериментальные значения Z (точки 1 и 2) рассчиты
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.