ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 5, с. 507-513
УДК 532.517:66.067
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ГАЗОВ МНОГОСЛОЙНЫМИ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИМИ ФИЛЬТРАМИ
© 2007 г. А. В. Загнитько, Г. И. Пушко*
Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва Институт молекулярной физики, Москва *ООО "Инвестиционная компания «ГИП»", Москва zagnitko@imp.kiae.ru Поступила в редакцию 2.10.2006 г.
Исследованы характеристики высокоэффективных металлокерамических фильтров с многослойной, мембранной структурой в азоте, аргоне, гелии, метане, оксиде и диоксиде углерода при температуре до 75 К. Показано, что с понижением температуры эффективность улавливания высокодисперсного аэрозоля уменьшается. При малых числах Рейнольдса изменение сопротивления фильтров определяется величиной динамической вязкости газа. Многослойная, мембранная структура на основе никеля устойчива к существенным перепадам температуры и может быть регенерирована отдувкой и термонагревом. Установлено, что эффективность очистки сжиженных газов определяется размером пор тонкопористого селективного слоя фильтров в соответствии с ситовым механизмом захвата дисперсных частиц.
Анализ низкотемпературных характеристик высокоэффективных металлокерамических фильтров с мембранной структурой, состоящей из тонкопористого селективного слоя, нанесенного на грубопористое основание [1-4], представляет интерес для сверхвысокой очистки криогенных газов от субмикронных частиц диаметром более 0.01 мкм, а также для создания сверхчистых газораспределительных систем и установок получения сжиженного природного газа высокой чистоты [5, 6].
Известно, что при числе Рейнольдса Яе = = р UD/ц < 0.2 и Кнудсена Кп = X/D < 1 газодинамическое сопротивление многослойных металлокерамических фильтров определяется величиной динамической вязкости газа ц, линейно зависит от лобовой скорости фильтрации U = Q/S [1-3] и может быть рассчитано по уравнению Дарси [7] :
АР = Щ^Ь + zaba) = Щ/ЩАР,,
(1)
показано, что зависимость сопротивления металлокерамических фильтров от Т = 285-700 К определяется формулой:
АP (T) = АP1[ Щ T)/Ul ]х[ц( T)/ц ] = = АР1 %[(Р1Т) / (РТ1 )]х[ц( Т)/ц ],
(2)
где z и za - константы тонкопористого и грубопо-ристого слоев соответственно, Ьа - толщина гру-бопористого слоя, Ь - толщина тонкопористого селективного слоя со среднеквадратичным диаметром пор D, параметр АР0 = + zaba)U0 - сопротивление при скорости течения газа Щ0 = 1 см/с. В основном величина АР0 определяется сопротивлением тонкопористого селективного слоя (zb/zaba > 5), а грубопористый слой используется как армирующее основание.
Динамическая вязкость газа ц(Т) существенно зависит от температуры Т [8]. При постоянном массовом расходе газа, Кп < 1 и Яе < 0.2 в [2] было
где Щ(Т) = рЩ/р = Щ1%(Р1Т)/(РТ1) [5, 8].
При низкой температуре высокоэффективная очистка газов от дисперсных примесей происходит по тем же механизмам, как и при нормальной температуре. В области максимума проскока коэффициент захвата наиболее проникающих высокодисперсных частиц (ё < 0.3 мкм) определяется неаддитивными механизмами их улавливания за счет броуновской диффузии и зацепления. Его теоретический анализ весьма сложен, поскольку зависимости, связывающие проскок частиц для цилиндрических каналов с параметром зацепления и диффузионным числом Пекле [2, 9], нельзя использовать для расчета эффективности реальных фильтров. Это обусловлено тем, что линейные характеристики сложной структуры тонкопористого мембранного слоя - величины переменные и трудно измеряемые, а поле течения трехмерно и определить его теоретически чрезвычайно трудно.
Согласно ГОСТ Р 51251-99 [10], разработаны металлокерамические фильтрующие элементы для тонкой (МКФ-Б), высокой (МКФ-Н) и сверхвысокой (МКФ-И) очистки газов с эффективностью улавливания Е = 90-99.9999999% наиболее проникающих высокодисперсных частиц в нормальных условиях, где Е = 1 - Ы/Ы0 [1-4]. Соответственно, кратность очистки С = Ы0/Ы = 10-109. Ха-
рактеристики металлокерамических фильтров в области низких температур практически не изучены [1-5]. Трудности экспериментального исследования связаны с необходимостью получения высокодисперсного аэрозоля с высокой степенью монодисперсности частиц и с влиянием термофо-реза, вызывающего их значительные потери в коммуникациях, а также с проблемами создания и метрологии устойчивых суспензий в сжиженных газах.
Цель данной работы - измерение эффективности, сопротивления и коррозионной стойкости металлокерамических фильтров различной мембранной структуры при температуре от 75 до 293 К.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования проводили с технически чистым азотом, аргоном, метаном, оксидом и диоксидом углерода (содержание примесей меньше 0.05 об. %), гелием марок А и Б (примеси меньше 0.005 и 0.01 об. % соответственно), а также с жидким азотом. Абсолютное давление газов не превышало 0.14 МПа.
Анализировали различные типы металлокерамических фильтров на основе карбида кремния 81С, корунда Л1203, титана и нержавеющей стали [1-4]. Особое внимание уделялось многослойным фильтрующим элементам МКФ-Б, МКФ-Н и МКФ-и из никеля типа еК7.062.709 и еК7.062.715 [4]. Этот тип мембран широко используют для высокоэффективной очистки технологических газов в микроэлектронике, атомной и пищевой отраслях промышленности, поскольку он характеризуется относительно небольшим газодинамическим сопротивлением, высокой коррозионной и механической прочностью (давление на разрыв 0.6-0.8 МПа, пористость армирующего основания 35-45% с размером пор от 15 до 30 мкм, а селективного слоя - 30-40%).
Для измерения эффективности Е использовали высокодисперсные частицы хлористого натрия (стандартное геометрическое отклонение размеров в < 1.3 [9]), которые получали спонтанной конденсацией при смешении в капилляре потока азота, насыщенного парами хлористого натрия при Т ~ 1100 К, с потоком азота при комнатной температуре. Методики получения аэрозоля хлористого натрия и определения размеров частиц путем измерения коэффициентов их диффузии описаны в [11].
Потоки газов охлаждались до заданной температуры в трубчатом теплообменнике с использованием жидкого азота. Для компенсации потерь в коммуникациях и на стенках фильтрационного модуля аэрозоль №С1 поочередно пропускали через компенсатор и фильтрационный модуль одинаковой геометрии (в компенсаторе фильтрующий материал не был установлен). Корпуса фильтра-
ционных модулей были изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т с внешней, экран-но-вакуумной изоляцией с адсорбентом на основе угольной ткани. Температуру газов до и после фильтрующего элемента непрерывно измеряли двумя термопарами (хромель-копель) и периодически контролировали газовым термометром.
Эффективность очистки газа измеряли путем укрупнения частиц в парах дибутилфталата в конденсационной установке КУСТ [11] с последующей регистрацией в нефелометре, а также отношением токов переноса униполярно заряженных частиц после компенсатора и фильтрационного модуля. Методики измерения эффективности очистки нефелометрическим методом и по току переноса потока аэрозоля, заряженного униполярными газовыми ионами в коронном разряде, описаны в [12, 13].
Газодинамическое сопротивление фильтров регистрировалось оптическими манометрами и датчиками типа "Сапфир" как разница в перепаде давлений между фильтрационным модулем и компенсатором при одинаковых температуре и объемной скорости газа.
Анализ масс-спектрометрических данных газового состава показал, что на развитой фильтрующей поверхности адсорбированы различные молекулярные примеси (Н2О, СО2, углеводороды и т.п.). По этой причине газовые коммуникации из стали 316Ь с полированной внутренней поверхностью (чистота обработки 0.63 Иа) и фильтрационные модули очищали от газообразных и адсорбированных примесей путем их вакуумирования при давлении 3-5 Па и отдувки азотом, аргоном и/или гелием при Т < 360 К. Непрерывный контроль за содержанием примесей паров воды при температуре более 215 К осуществлялся измерителями относительной влажности (предел измерения до 1%) и температуры газов ИВТМ 7 МК.
Коррозионную активность металлокерамических фильтров определяли, помещая в в реактор с криогенными газами (Лг, СН4, Не, 1Ч2, СО и СО2), а затем в сосуды Дьюара с жидким азотом на период до 1000 ч. При этом фильтрующий материал подвергался термоударам за счет периодического погружения в сжиженный азот и последующего извлечения в комнатную атмосферу. Характерное время резкого изменения температуры фильтров составляло около 10 с. После каждого термоудара фильтроэлемент прогревали и при температуре 293 К измеряли его газодинамическое сопротивление и эффективность улавливания капель на стенде анализа высокоэффективных фильтров [12, 13].
Для определения эффективности очистки сжиженного азота использовали фракционированные, тонкодисперсные порошки диоксида титана ТЮ2, карбида кремния 81С, никеля N1 и квар-
ца 8Ю2. Получение их суспензий высокой степени монодисперсности частиц оказалось сложной задачей вследствие неполного редиспергирования порошков, седиментации и коагуляции частиц в жидком азоте с относительно небольшой динамической вязкостью и плотностью [8]. Соответственно, при измерении их дисперсного состава возникали существенные трудности. В связи с этим одновременно измеряли эффективность очистки жидкого азота и дистиллированной воды путем определения массовых концентраций частиц до и после фильтра для каждого типа порошка, а кратность очистки рассчитывалась как См = = М0/М. При этом значения М0 в воде и в жидком азоте практически совпадали. Для измерения массовой концентрации частиц до и после фильтров отбирали пробы воды для их анализа методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (1СР-ЛБ8). Пробы жидкого азота отбирали в колбы Дьюара, из которых азот далее испарялся через аналитические полимерные фильтры. Осадок частиц с аналитического фильтра и стенок сосуда Дьюара анализировали методами 1СР-ЛБ8 и весового анализа. В водной среде при температуре 290-293 К распределение частиц по размерам (близкое к логнормальному), их средни
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.