научная статья по теме ПРОСКОК АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ ТОНКОВОЛОКНИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ПРОСКОК АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ ТОНКОВОЛОКНИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ»

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.

Показать целиком