ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 6, с. 702-708
УДК 541.182.213:621.928.95
ПРОСКОК АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ ТОНКОВОЛОКНИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ © 2011 г. А. А. Кирш*, В. О. Хмелевский, А. К. Будыка, В. А. Кирш**
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва *Национальный исследовательский центр"Курчатовский институт", Москва **Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва
va_kirsch@mail.ru Поступила в редакцию 17.01.2011 г.
Исследован проскок субмикронных частиц через тонковолокнистые фильтрующие материалы. Существующий теоретический подход к описанию тонкой фильтрации аэрозолей, развитый на основе веерной модели фильтра, сопоставлен с экспериментами, полученными на установке "Т$1 31-60". Монодисперсные аэрозоли хлорида натрия и диоктилфталата пропускались через несколько слоев фильтрующих материалов, состоящих из ультратонких полидисперсных волокон. Из измерений следует, что логарифм коэффициента проскока частиц с радиусом г = 0.05—0.2 мкм прямо пропорционален числу слоев. Найденные из опытов в этом диапазоне г значения радиусов наиболее проникающих частиц г* и соответствующие им значения коэффициентов захвата удовлетворительно согласуются с расчетами, выполненными для модели веерного фильтра в режиме диффузионного осаждения частиц конечного размера с учетом эффекта скольжения газа на волокнах, действия запаздывающих сил Ван-дер-Ваальса, а также с учетом полидисперсности волокон и неоднородности структуры фильтров. Для частиц с г < 0.04 мкм измеренные проскоки не соответствуют экспоненциальному закону фильтрации. Проскок возрастает через каждый последующий слой материала.
ВВЕДЕНИЕ
Тонкая очистка газов от взвешенных субмикронных частиц для современных технологических процессов осуществляется с помощью фильтров, изготавливаемых в основном из тонкослойных фильтрующих материалов, которые гофрируют с целью увеличения поверхности и, соответственно, уменьшения скорости потока. При уменьшении скорости уменьшается сопротивление потоку и возрастает эффективность улавливания субмикронных частиц. Зависимость эффективности от размера частиц имеет минимум, соответствующий наиболее проникающим частицам радиуса г*, причем положение минимума зависит от скорости течения газа через фильтр и [1]. Величина эффективности улавливания частиц с радиусом г* при заданной скорости (обычно эксплуатационной) является характеристикой фильтра. Для современных высокоэффективных фильтров, работающих при малых скоростях, порядка нескольких см/с, минимуму эффективности улавливания или максимуму проскока частиц N/N0 соответствуют частицы с г* = 0.1 ± 0.05 мкм. В случае аналитических фильтров, отбор проб через которые производится при скорости 30—50 см/с и более, радиус наиболее проникающих частиц может быть в два или три раза меньше. Для измерения концентрации столь мелких частиц за фильтром N и перед фильтром N0 чувствительность лазерного фото-
электрического счетчика недостаточна. Вследствие этого широкое распространение получила методика, основанная на фракционировании субмикронных аэрозолей и последующем укрупнении отдельных частиц в пересыщенных парах жидкостей до размеров в несколько микрон. Приборы, в которых происходит укрупнение и подсчет частиц, получили название конденсационные счетчики.
Фракционирование основано на выделении мономобильных частиц, заряженных в основном одним элементарным зарядом, из пуазейлевского потока в щель электрического конденсатора, в котором изменением напряженности поля можно регулировать размер выделяемых частиц. Этот прибор получил название дифференциальный анализатор подвижности. Перед поступлением частиц в анализатор поток аэрозолей облучают ионизирующим излучением, в результате чего на частицах образуются заряды обоих знаков (равновесное больцмановское распределение [2]), причем частицы с радиусом г < 0.2 мкм имеют, как отмечено выше, в основном один элементарный заряд, редко два, и большая их часть не заряжена вовсе. Использование двух счетчиков, в которые отбираются одновременно две пробы из потока, перед и за фильтром, как это делается в фильтровальных установках американской фирмы "ТБГ', существенно повышает точность определения
проскока, так как исключается влияние нестабильности концентрации частиц.
Метод испытания эффективности улавливания фильтрами частиц в области г* с использованием дифференциального анализатора подвижности и конденсационных счетчиков очень удобен. Однако при его использовании в более широком диапазоне размеров частиц необходимо учитывать существующие ограничения при фракционировании и при детектировании частиц, особенно в нанометровом диапазоне. На степень монодисперсности в узкой фракции почти одинаковых частиц, выделяемой из дифференциального анализатора подвижности, влияние оказывают разные факторы. Возможно попадание частиц большего размера, но с двумя зарядами. Это проявляется тем заметнее, чем крупнее частицы. С другой стороны, чем мельче частицы, тем сильнее сказывается влияние продольной диффузии частиц на подходе их к щели в конденсаторе. Ограничения при укрупнении частиц связаны с тем, что в парах изопропило-вого спирта, который используется в качестве рабочей жидкости в большинстве конденсационных счетчиков, в том числе в счетчиках "ТБГ', проявляются не все частицы с радиусом менее 0.05 мкм. Доля проявляемых частиц в этом диапазоне размеров очень резко зависит от размера частиц [3]. Поэтому, даже при небольшой полидисперсности частиц в выделенной фракции, ошибки в оценке проскока наночастиц через фильтр могут быть значительными из-за изменения спектра размеров частиц вследствие диффузионных потерь в коммуникациях. Игнорирование ограничений метода, особенно в области нанометрового диапазона размеров частиц, приводит к "новым" закономерностям осаждения [4, 5], противоречащим теории и экспериментальным данным, полученным другими методами.
Проверка правильности выбранных режимов работы конденсационных укрупнителей и генераторов монодисперсных наночастиц сводится к измерению проскока частиц через несколько последовательно установленных фильтров. В этом случае линейность зависимости логарифма коэффициента проскока частиц от числа фильтрующих слоев свидетельствует о пропорциональности укрупнения и о монодисперсности частиц. Однако, несмотря на обилие работ, посвященных эффективности осаждения субмикронных и, особенно, нанометровых частиц в волокнистых фильтрах, в которых результаты получены с помощью дифференциального анализатора подвижности и спиртовых счетчиков, до сих пор не было сообщений о подобной проверке пропорциональности счета. В данном сообщении приводятся результаты измерений проскока субмикронных частиц на фильтровальной установке "Т81 31-60" через несколько слоев стекловолокнистых фильтрующих материалов, и дается сравнение с теорией.
РАДИУС НАИБОЛЕЕ ПРОНИКАЮЩИХ ЧАСТИЦ
При небольшой скорости течения аэрозолей через волокнистый фильтр, порядка нескольких см/с, осаждение субмикронных частиц на волокна происходит в результате броуновского смещения частиц с линий тока к поверхности волокон. С ростом размера и, соответственно, с уменьшением коэффициента диффузии частиц, осаждение сначала уменьшается, а затем снова возрастает, поскольку начинает сказываться собственный размер частиц. В этом случае частицы осаждаются вследствие эффекта зацепления, когда их центр находится на линии тока, отстоящей от поверхности волокна на расстоянии, меньшем радиуса частицы. Радиус частиц, соответствующий максимуму проскока (минимуму эффективности) г*, зависит от скорости течения и от параметров фильтра. Предварительные оценки величины г* необходимы при выборе тестовых аэрозолей при испытании фильтров.
Точный расчет осаждения частиц в области максимума проскока довольно сложен, поскольку осаждение происходит по нескольким механизмам, влияние которых соизмеримо, и поскольку неизвестно поле течения в реальном фильтре с беспорядочным расположением волокон. Невозможно точно рассчитать осаждение частиц из потока, набегающего на каждое волокно в фильтре, так как нет приемов описания неупорядоченной структуры реальных фильтров, которая в сильной степени влияет на осаждение частиц. Поэтому для расчета проскока частиц используется метод, основанный на вычислении осаждения частиц в модельном фильтре с такими же параметрами, как и у реального фильтра, а для учета неоднородности структуры реального фильтра вводится коэффициент, равный отношению перепада давления в модельном фильтре к перепаду давления в реальном фильтре [1, 6]. Перепад давления измеряется при небольшой скорости в режиме малых чисел Рейнольдса Яе < 1, когда отношение перепада давления к скорости постоянно, т.е. когда выполняется закон Дарси. По измеренной величине перепада давления Ар при скорости и коэффициент проскока (или просто проскок) частиц с радиусом г рассчитывается по формуле [1]
N = ехр N о
/ 2аПАрЛ
(1)
где N N — концентрация частиц за фильтром и до фильтра, а — средний радиус волокон в реальном фильтре, и — скорость течения, ц — динамическая вязкость газа, П — коэффициент захвата и Ff — безразмерная сила сопротивления потоку единицы длины волокна в модельном, так называемом, веерном фильтре, принятом за эталон однородного
фильтра. При Кп < 1 и Ре > 1 средний коэффициент захвата записывается в виде
П = + По + ПоЯ, По = 2.7Ре-2/3 (1 + 0.55кГ1/3КпРе1/3),
Пя = (2^)-1 [(1 + Я)-1 - (1 + Я) + 2 (1 + Я) х (2) х 1п (1 + Я) + 2.86Кп (2 + Я) Я (1 + Я)-1], = 1.24к1-1/2Я 2/3Ре-1/2,
где По — коэффициенты захвата волокном частиц, осаждающихся соответственно за счет зацепления и диффузии, Поя - интерференционный член, Ре = 2а и/Б — диффузионное число Пекле, Б — коэффициент диффузии частиц, Я = г/а — параметр зацепления, Кп = Х/а — число Кнудсена, X — средняя длина свободного пробега молекул газа. Гидродинамический фактор к связан с силой сопротивления волокна в полидисперсном модельном фильтре
жет варьировать от 10 20 до 10 18 эрг см, E (ф, m) =
Ff = 4л£Г\
k = -0.5 ln [а/ (1 + а)]- 0.52 + + 0.64 а/(1 + а) +1. 43 [1 -а/(1 + а)]Кп.
(3)
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.