ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 6, с. 690-694
УДК 532.5.011:532.5.013
СТАЦИОНАРНОСТЬ ПРОЦЕССА И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
ОТ ПЫЛИ В ЩЕЛЕВОМ ФИЛЬТРЕ © 2014 г. Н. М. Самохвалов, В. В. Виноградов
Иркутский государственный технический университет vvv158@mail.ru Поступила в редакцию 28.10.2013 г.
Представлены результаты исследования очистки запыленного воздуха щелевым фильтром при постоянной скорости фильтрования. Установлена связь эффективности очистки с фактором стационарности и временем пребывания запыленного потока в фильтрующем слое. Определены условия высокоэффективной очистки запыленных газов в стационарном периоде фильтрования и способ выбора необходимых параметров процесса и основных размеров аппарата.
Ключевые слова: очистка запыленных газов, фильтрование, щелевой фильтр, эффективность очистки, фактор стационарности.
Б01: 10.7868/80040357114060086
ВВЕДЕНИЕ
Одной из разновидностей фильтрующей аппаратуры является щелевой фильтр [1, 2], в котором в качестве фильтрующей перегородки используется навитая на специальный каркас в несколько слоев проволока в виде "беличьего колеса".
Известно [3], что в процессе фильтрования можно выделить два периода — стационарный и нестационарный. Стационарным периодом считается отрезок времени, в котором осаждение пылевых частиц происходит на чистые зерна или волокна фильтрующего слоя. Эффективность очистки и гидравлическое сопротивление в этот период изменяются незначительно. Эффективность фильтрования исследовалась в работе [4], но без учета стационарности процесса. Длительность стационарного периода фильтрования и связь его с эффективностью очистки изучалась при очистке запыленных газов зернистыми фильтрами [5].
Целью данной работы является выяснение существования стационарного периода фильтрования в процессе очистки запыленных газов щелевым фильтром, определение его границ и влияние этого периода на эффективность очистки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для решения поставленной задачи проведены экспериментальные исследования по очистки запыленного воздуха при постоянной скорости фильтрования щелевыми фильтрующими перегородками барабанного типа с различными диаметрами проволоки и различным количеством ее слоев.
Исследования проводились с использованием угольной, цементной пыли и порошкообразной смолы поливинилхлорида (ПВХ) при скоростях фильтрования от 0.01, до 0.2 м/с. Угольная пыль имела медианный размер частиц 35 мкм, цементная — 15 мкм, ПВХ — 26 мкм. Для определения размера частиц пыли и ее дисперсности использовался импактор конструкции НИИОГаз. Для исследований применялась проволока с диаметрами от 0.75 мм до 1.4 мм. Эффективность очистки определялась весовым методом по известной методике с использованием специального фильтровального патрона с бумажным фильтром АФА-ВП-10 диаметром 30 мм, а также с использованием стеклянных аллонжей с набивкой из стекловаты. Отбор проб проводился аспиратором с обеспечением условия изокинетичности и использованием пылеотборных трубок НИИОГаза. Для подачи пыли в поток использовался специально разработанный дозатор пыли [6]. В ходе эксперимента определялись расход воздуха, входная и остаточная запыленности потока, температура воздуха и продолжительность процесса фильтрования. Эксперимент проводился без регенерации фильтрующего слоя.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследований показали, что во всех случаях фильтрование протекало в целом со снижением эффективности очистки во времени. На рис. 1 представлено опытное изменение эффективности очистки во времени ту при улавливании угольной пыли щелевым фильтром с 5 слоя-
П, %
98 96 94 92 90
0 300 600 900 1200 1500
1800 Tf с
Рис. 1. Изменение эффективности очистки во времени при различной скорости фильтрования (м/с): 1- = 0.05; 2 - 0.07; 3 - 0.1; 4- ^ = 0.2.
П, % 99 98 97 96 95 94
0.01
0.02
0.03
ми проволоки диаметром 0.75 мм. Такое изменение эффективности характерно и для других характеристик щелевого слоя.
Установлено, что при постоянной скорости фильтрования осаждение пыли происходит внутри каналов слоя, что соответствует механизму фильтрования с закупориванием пор. При этом в начальный период наблюдается минимальный проскок пыли и обусловлен он структурными характеристиками щелевого слоя. В этот отрезок времени снижение эффективности очистки можно объяснить только накоплением осадка пыли в свободном объеме фильтрующего слоя. Это накопление приводит к образованию по всему сечению фильтрующего слоя фронта задержанной пыли, который непрерывно перемещается в глубину слоя, что способствует возникновению и усилению вторичного уноса пылевых частиц.
Замечено, что чем больше толщина фильтрующего слоя и меньше скорость потока в каналах слоя, тем выше эффективность очистки. Отношение этих параметров определяет время пребывания запыленного потока в фильтрующем слое
т res = Ну о/Wf ,
где H — толщина фильтрующего слоя; — доля живого сечения чистого фильтрующего слоя, W — скорость фильтрования.
Толщина фильтрующего слоя определяется диаметром проволоки d, числом ее слоев n и размером щели s между слоями проволоки
Н = nd + s(n - 1).
Таким образом, с увеличением времени пребывания повышается и эффективность задержания пылевых частиц. Графические зависимости эффективности очистки от времени пребывания, полученные на основе опытных данных, показывают, что они имеет вид экспоненциальных кривых (рис. 2). Они построены для продолжитель-
Рис. 2. Зависимость эффективности очистки от времени пребывания: 1 — й = 0.75 мм; 2 — 1.0; 3 — 1.2; 4 — й = 1.4 мм.
ности фильтрования 300 с в пределах скоростей от 0.01 до 0.1 м/с для пяти слоев проволоки при улавливании угольной пыли. Аналогичные закономерности проявляются при фильтровании воздуха запыленного цементом и при использовании ПВХ.
Левая часть этих кривых резко изменяется при уменьшении времени пребывания. Эффективность очистки при малых значениях времени пребывания существенно падает и стремится к каким-то минимальным значениям. При этом, чем больше диаметр проволоки, тем ниже эффективность при одном и том же времени пребывания запыленного потока в фильтрующем слое.
Правая часть кривых с увеличением времени пребывания плавно изменяется, и асимптотически стремится к высоким значениям эффективности очистки, зависящей от диаметра проволоки. Чем меньше ее диаметр, тем выше и стабильнее эффективность задержки пыли, которая в пределе приближается к 100%.
Точка на кривых рис. 2, соответствующая заданной эффективности очистки, определяет минимальное время пребывания, которое создает условия для достижения заданной эффективности. С увеличением времени пребывания повышается надежность обеспечения этой эффективности. Эта точка названа критическим временем пребывания тсг, которое зависит от диаметра проволоки и при его увеличении сдвигается в сторону больших значений. Таким образом, под критическим временем пребывания следует понимать такое минимальное значение времени пребывания, которое обеспечивает заданную эффективность очистки.
Зависимость критического времени пребывания от диаметра подтверждается рис. 2. Так, для проволоки диаметром 0.75 мм тсг, обеспечивающее п больше 98%, можно принять равным 0.006 с. Для проволоки 1.0 мм тсг будет уже составлять 0.015 с, а для d = 1.2 мм критическое время пребывания составит величину приблизительно 0.034 с.
0
Tres, с
п
98 96 94 92 90 88 86
%
0.00002 0.00004 0.00006
0.00008 к/
Рис. 3. Изменение эффективности очистки от фактора стационарности К/ 1 — аI = 0.75 мм; 2 — 1.0; 3 — а = = 1.2 мм.
Еще большее значение тсг потребуется для проволоки диаметром 1.4 мм.
Для достижения более высокой эффективности очистки, например, в 99% критическое время пребывания тоже должно быть больше. Так, для проволоки диаметром 0.75 мм необходимо, чтобы тсг составляла значение не менее 0.015 с.
Таким образом, время пребывания, определяемое толщиной фильтрующего слоя и скоростью фильтрования, определяет величину п.
Как было отмечено ранее, снижение эффективности очистки во времени связано с перемещением фронта пыли в глубину фильтрующего слоя. Если скорость перемещения фронта пыли V, а скорость потока в каналах фильтрующего слоя V, то их отношение будет характеризовать отставание фронта пыли от потока. При перемещении фронта пыли на всю толщину фильтрующего слоя это отношение выразится зависимостью, которая фактически является комплексом обратным критерию Струхаля, характеризующим стационарность процесса
V
Ж
н
Ж т г
Отношение Н/ V = следовательно,
V
= К/.
(1)
Ж т п.„„
Коэффициент К/ является фактором стационарности [5]. ттах — это предельная продолжительность фильтрования, при которой фронт пыли переместится на всю глубину фильтрующего слоя и эффективность очистки в этом случае снизится до минимальной. При меньшей продолжительности фильтрования фронт пыли переместится на глубину к, которая меньше толщины слоя Н, и эффективность очистки будет более высокой. Кроме этого фактор стационарности по зависимости (1) пропорционален времени пребывания, которое влияет на величину эффектив-
ности очистки, следовательно, и фактор стационарности тоже влияет на нее.
Используя результаты экспериментальных исследований, были построены графические зависимости п от К/(рис. 3).
На этом рисунке представлены результаты, полученные при улавливании угольной пыли при использовании 5 слоев проволоки. На нем прослеживается экспоненциальный характер зависимости п = ФСК). Изменение эффективности очистки, так же как и для времени пребывания, зависит от диаметра проволоки и от количества слоев проволоки в фильтрующей перегородке.
Видно, что с увеличением фактора стационарности эффективность очистки повышается в пределе до 100%. Точка на кривых рис. 3, соответствующая заданной эффективности принята как значение граничного фактора стационарности К/т. Граничный фактор стационарности — это время пребывания, отнесенное к продолжительности процесса фильтрования, которое обеспечивает заданную эффективность очистки. Если они равны, то К/Хтт = 1, а эффективность очистки соответствует максимальному значению для да
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.