Тема 11. Конструкция воздушных фильтров

В настоящее время широко используются фильтры для очистки воздуха следующих конструкций.

Фильтры предварительной очистки воздуха. Данные фильтры устанавливаются на всасывающей линии перед компрессором или тру-бовоздуходувкой. При инерционном способе осаждения воздух очищается от частиц размером более 5 мкм при скорости фильтрации 1,5-3,0 м/с. Чтобы сухие частицы не выносились из фильтров, его фильтрующие слои подлежат промасливанию. Фильтры данного класса называются масляными или висциновыми. Фильтры периодического действия подразделяются на кассетные регенерируемые, масляные и фильтры сухого типа. Фильтры непрерывного типа подразделяются на самоочищающиеся масляные и с непрерывной регенерацией в ванне с маслом, и рулонные и волокнистые.

Фильтры тонкой очистки (головной). Головной фильтр предназначен для улавливания основной массы загрязнений, попавших в систему после прохождения воздуха через фильтр предварительной очистки компрессора или турбовоздуходувки

В отечественной промышленности для стерилизации технологического воздуха до 80-х годов применялись в основном глубинные фильтры, представляющие собой емкость с двумя укрепленными внутри перфорированными решетками, между которыми находятся фильтрующие материалы.

Первыми отечественными фильтрами с готовым фильтрующим элементом были фильтры с использованием материала ФП (ткань Петрянова). В этих фильтрах применялись фильтрующие элементы производительностью 60 - 1000 м7ч. Фильтрующие элементы представлены в виде гофрированных цилиндрических патронов, в которых между складками фильтрующего материала помещались гофрированные пластины. Материал по периметру элемента закреплялся в верхней и нижней частях цилиндра стяжками. Недостатками фильтра были: невозможность стерилизовать фильтр острым паром в технологической линии; наличие в элементе от­дельных деталей, усложняющих его проверку и герметизацию; отсутствие механической прочности самого фильтрующего полотна. Достоинством фильтрующего материала ФП в фильтрующих элементах является высокая эффективность (более 99,999 %) по частицам диаметром 0,3 мкм при неболь­шом сопротивлении потоку воздуха (0,1 МПа при скорости фильтрации 0,05 м/с).

Фильтры тонкой очистки воздуха (индивидуальный). Существует большое разнообразие конструкций фильтров тонкой очистки, которые, в основном, представляют собой аппарат цилиндрического типа с вводом воздуха через верхний штуцер. Для его более равномерного распределения по поверхности фильтрующего материала к корпусу приваривается решетка. Вывод воздуха осуществляется через нижний штуцер. Для биореакторов небольшой емкости до 10 м3 широко используется конические фильтры.

Работа этих фильтров должна быть особенно надежной, т.к. стадия очистки перед поступлением воздуха в биореактор.

Перспективным фильтрующим материалом является также пористый материал, изготовленный из порошка фторопласта (методом спекания).

Для обеспечения необходимой эффективности фторопластовых материалов в виде пластин их толщина должна быть равна 4 мм. Они обладают высокой пористостью и высокой удельной производительность60 м³/ч для малых элементов и 250 м³/ч - для больших. Конструкция фильтров

с применением фторопластовых фильтрующих материалов в зависимости от их формы могут быть в виде дисков или втулок. Для дисков или пластин рекомендуется конструкция фильтров, аналогичная конструкции фильтра Eikoh. Срок службы фильтрующих элементов из фторопласта достигает 12 мес.

Современные разработки в области стерилизации технологического воздуха были направлены на использование в фильтрах металлокерамических материалов, т.е. жестких пористых перегородок из металла. Металлокерамические материалы изготавливают из калиброванных металлических порошков способами спекания, прессования, прокаткой. Размер пор в изделиях варьирует в пределах 2-1000 мкм. Для изготовления металлокерамических фильтрующих элементов используют бронзу, никель, нержавеющую сталь, титан.

Схема механизма осаждения при фильтрации воздуха через металло- и металлокерамические фильтрующие элементы представлена на рис. 6.6.

Для изготовления металлического элемента выбирают наиболее мел­козернистый порошок с таким расчетом, чтобы при достаточной протя­женности фильтрующей стенки число расширений и сжатий потока превысило 16000 с^-1. Как показали испытания, этому условию соответствуют элементы из титанового порошка, обеспечивающие технический коэффициент проскока для частиц размером 0,3 мкм, равный 5%.

Металлокерамические элементы, изготовленные из титана, также применяют для бактериальной очистки воздуха. Они состоят из пористой металлокерамической основы, фильтрующего волокнистого материала, покрывающего основу в два и более слоя, и трубчатой оболочки. В качестве фильтрующих элементов для тонкой очистки воздуха впервые применен гидростойкий материал, выдерживающий стерилизацию острым паром до 150 °С в течение 40 - 50 ч. Материал гидрофобен, стоек к действию сильных кислот и щелочей, сильным окислителям, спиртам, предельным углеводородам, маслам и может использоваться для фильтрования воздуха и газов при температуре от -250 до +200 °С. Гидравлическое сопротивление материала при скорости воздуха 1 см/с составляет 14,7 Па.

Преимущества металлокерамических фильтрующих элементов для тонкой биологической очистки воздуха следующие значительное число стерилизаций острым паром, простота регенерации и большой срок работы. (5-10 лет).

В отличие от волокнистых, нетканых и фторопластовых фильтров зернистые металлокерамические материалы имеют неизменную структуру, химически инертны, поддаются любым методам стерилизации, отличаются высокой механической прочностью, легко контролируемы, дешевы и просты в изготовлении. Конструктивно они выполняются аналогично фильтрам с фторопластовыми элементами.

Фирма «Pall» выпускает различные фильтры для фармацевтической промышленности. Фильтрующие патроны в фильтрах для стерилизации воздуха выпускаются под маркой Ultipore A.B. Единичные фильтрующие патроны для стерилизации воздуха имеют рабочую поверхность 0,5 - 2 м². Уплотнение патрона с корпусом выполнено в виде двойных уплотнительных колец. Эффективность улавливания частиц фильтрами достигается использованием в фильтрующем патроне мембранных материалов с максимальным размером пор 0,45 мкм, который сохраняется фильтрующей волокнистой мембраной даже во влажном состоянии благодаря специальной гидрофобной обработке фильтрующего элемента. Корпус фильтров изготавливается из нержавеющей стали. Внутренняя поверхность фильтров хорошо отполирована. Корпусы фильтров оснащены соединением типа «Трикловер» и байонетным затвором для удобства эксплуатации фильтров.

Фирма «Pall» выпускает фильтры производительностью 45 – 850 м³/ч, что достигается наличием фильтрующих элементов в пределах 1-20 штук (площадь фильтрации одного элемента составляет 0,5 м²). Рабочие скорости фильтрации 0,15 - 0,2 м/с создают сопротивление фильтра 0,115 - 0,12 МПа. При увеличении скорости до 0,5 м/с сопротивление фильтров возрастает в 3 - 4 раза. Фильтрующие элементы марок ARPK5, АХЗК5 вместе с корпусом стерилизуются в острым паром одновременно со всей остальной аппаратурой в технологической линии.

Фильтры и фильтрующие элементы фирмы «Pall» были апробированы на отечественных биопредприятиях. Фильтрующие элементы успешно выдержали стерилизацию острым паром в линии без нарушения фильтрующих свойств. Фильтрующие элементы Ultipore А.Ф выдержали 50-разовую и более стерилизацию паром. Срок службы фильтрующего элемента составляет один год.

В фильтрах для стерилизации воздуха фирмы «Millipore» используются «фильтрующие п элементы; в виде гладаих цилиндров разных размеров.

Поверхность фильтрации стандартного элемента длиной 77,5 см составляет 0,12 м². В последнее время для изготовления мембран фирма стала применять фторопласт - гидрофобный материал с высокой теплостойкостью и химической стойкостью. Гофрированные элементы с развернутой поверхностью, изготовленные из этого материала, более производительны. Эффективность фильтров этого класса и эффективность мембранных материалов определяется отсутствием за фильтром частиц размером номинального диаметра пор фильтрующих мембран (0,45 или 0,22 мкм). Сопротивление фильтра при скорости фильтрации 0,05 - 0,1 м/с равно 0,115-0,120 МПа. Срок службы и надежность работы элемента в однопатронном фильтре из-за непрочности мембраны меньше, чем у элементов фирмы «Pall» и «Eikoh». Фирма «Millipore» рекомендует стерилизацию фильтра проводить острым паром при давлении 0,2 МПа, подавая пар в наружную и внутреннюю полости фильтра одновременно для предотвращения деформации фильтрующего элемента. Пар подается в линию очищенным с помощью специального фильтра.

Опыт эксплуатации фильтров и фильтрующих элементов ведущих зарубежных фирм на отечественных предприятиях показал большую целесообразность, удобство и надежность в работе фильтров с филь­трующими материалами в виде готовых фильтрующих элементов с заданными параметрами фильтрации: эффективностью, сопротивление потоку воздуха, сроком службы и т.д.

Анализ отечественных и зарубежных конструкций фильтров показал, что наиболее перспективными являются конструкции фильтров патронного и кассетного типа с фильтрующими элементами из плотных эффективных фильтрующих материалов. Такие фильтры удобны в эксплуатации, обладают высокой эффективностью, быстрой съемностью и надежностью в работе.

Проведенный анализ позволил модернизировать старые и разработать новые конструкции фильтров с готовыми патронными и кассетными фильтрующими элементами с использованием новых эффективных отечественных фильтрующих материалов.

Для стерилизации фильтров рекомендуется использовать очищенный пар. Наиболее благоприятным способом пропускания пара является двухсторонняя подача в наружную и внутреннюю полости фильтра.