Принцип работы фильтра пористого

 

Фильтрование – отделение частиц дисперсной фазы при прохождении смеси через пористую перегородку. Может идти с образованием осадка или закупориванием пор. Оба процесса ведут к увеличению сопротивления фильтрующей поверхности, но первый вариант предпочтительнее ввиду того, что осадок может быть удален с фильтрующей поверхности, тем самым продлевая срок эксплуатации фильтрующего материала.

Движущей силой всех гидродинамических процессов является разность давлений, таким образом, процесс интенсифицируется путём нагнетания давления в системе посредством насосов и компрессоров.

Рассмотрим основные понятия, кинетику и механизм процесса фильтрования.

Скорость фильтрования – объём фильтрата, проходящий через единицу фильтрующей поверхности в единицу времени, согласно формуле 21:

 

(21)

где  – скорость фильтрования, м³/(м² с);

 – объём фильтрата, м³;

 – площадь фильтрующей поверхности, м²;

 – время фильтрования, с.

 

В то же время, скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна силам внутреннего трения, сопротивлениям фильтрующей поверхности и осадка, что отражено в формуле 22:

 

(22)

где  – разность давлений, Па;

 – сопротивление фильтрующего слоя, м^-1;

 - сопротивление осадка, м^-1.

 

Сопротивление фильтрующего слоя определяется эмпирически, сопротивление осадка определяется согласно формуле 23:

 

(23)

где  – удельное сопротивление осадка, м^-2;

 – объемная доля дисперсной фазы в системе.

 

Подставим формулу 23 в формулу 22 и объединив формулы 21 и 22, получим формулу 24 – дифференциальное уравнение фильтрования.

 

(24)

 

Для перемещения газов используются компрессоры, использование компрессоров и объёмных насосов, в отличии от использования центробежных насосов, позволяет поддерживать постоянную разность давлений и упростить интегрирование выражения. Проинтегрируем формулу 24 и выразим время фильтрования, получим формулу 25:

 

(25)

 

Таким образом, к уменьшению времени фильтрования, а соответственно к увеличению скорости фильтрования, ведёт увеличение разности давлений и площади фильтрования, а также снижение вязкости среды, удаление осадка и подбор фильтрующего материала с меньшим сопротивлением.

Выше изучены основные кинетические зависимости фильтрования, теперь кратко рассмотрим механизм фильтрования.

Механизм фильтрования сложен и включает ряд самостоятельных механизмов – ситовой эффект, касание, инерционный захват, диффузия, в меньшей степени – термофорез, гравитационное и электростатическое осаждение.

Ситовой эффект заключается в том, что частица размером превосходящая размеры поры фильтрующего материала не может проходить сквозь него. Таким образом, уменьшение диаметра пор вед к увеличению степени очистки за счёт улавливания все меньших частиц. С другой стороны уменьшение размеров пор ведёт к быстрому образованию осадка и закупориванию пор, что снижает способность материала к регенерации.

Отдельную группу образуют диффузия, инерционный захват и касание. Касание заключается в том, что при прохождении траектории частицы через неровности, зерна фильтрующей поверхности происходит сближение частицы и поверхности и осаждение частицы. Инерционный захват заключается в том, что при обтекании неровностей поверхности на частицу начинает воздействовать центробежная сила, приводящая к отклонению частицы от траектории основного потока и сближении с поверхностью канала поры или зерна фильтрующего элемента. Диффузия возникает в результате броуновского движения, приводит к движению частиц из области больших концентраций в область меньших, что также приводит в движению частиц к поверхности. Таким образом, действие указанных механизмов возникает в результате действия инерционных сил и градиента концентраций и приводит к отклонению траектории частицы от траектории потока, сближению частицы и поверхности канала поры или зерен фильтра, оседанию частицы.

Термофорез – отклонение траектории частиц в результате тепломассопереноса по градиенту температур. Электростатическое и гравитационное осаждение идут в результате действия электростатических сил и сил гравитационного притяжения между частицами. Действие этих механизмов мало ввиду малой разности температур, малой массы частиц и местного возникновения заряда на поверхности [1,13].

В таблице 4 приведём схемы основных типов аппаратов, их описание будет приведено в дальнейшем в подразделе 2.2 и таблице 5.

 

Таблица 4 – Схемы основных типов фильтров

 

Тип фильтра	Схема
Тканевый
Волокнистый
Зернистый и жёсткий пористый

 

 

Достоинства и недостатки

 

На данный момент существует множество разновидностей фильтров, их конструктивные особенности, достоинства и недостатки рассмотрим в таблице 3 [4,9].

 

Таблица 5 – Сравнительный анализ фильтров разных конструкций

 

Тип	Конструктивные особенности	Достоинства	Недостатки
Тканевые	В целом все аппараты данной группы конструктивно напоминают друг друга и включают – корпус, приёмный и раздаточный бункеры, фильтрующие рукава, коллектор вывода очищенного газа и устройство для выгрузки пыли. Рукав представляет собой каркас обтянутый тканью из природного (шерсть) или синтетического (нитрон, лавсан) волокна, стекловолокна или нетканого материала (фетра). Очистку проводят встряхиванием, обратной или импульсной продувкой	Улавливание широкого фракционного диапазона частиц пыли, простота эксплуатации, лёгкость автоматизации, по сравнению с циклонами меньшее гидравлическое сопротивление	Диапазон температур ограничения снизу – точкой росы для компонента смеси, сверху – стойкостью фильтрующего материала. Необходимость периодической очистки фильтрующего материала
Волокнистые	Аппараты представляют собой корпус с расположенными в нём рамами, чередующимися со слоями фильтрующего материала - шлаковой ваты, целлюлозно-асбестовых, кварцевых или полимерных волокон	Применяются для очистки слабозагрязнённых газов, обеспечивают значительную площадь фильтрования при малом объёме	Маленькие значения скорости фильтрования, применение ограничено системами вентилляции

Продолжение таблицы 5

 

Тип	Конструктивные особенности	Достоинства	Недостатки
Зернистые	Представляет собой аппарат, включающий корпус, содержащий слой зернистого материала, заключающийся между решетками, входной и выходной патрубки, устройство для выгрузки осадка. Насыпной слой – песок, галька, пластмассовые или выполненные из сплавов частицы	Возможность применения для очистки высокотемпературных и химически агрессивных сред	Высокое гидравлическое сопротивление, необходимость очистки и периодической замены фильтрующих элементов
Жёсткие пористые фильтры	Конструктивно схожи с зернистыми фильтрами, но в них вместо насыпного слоя – слой сплошного пористого материала, полученного сплавлением частиц заданного диаметра	Возможность применения для очистки высокотемпературных и химически агрессивных сред	Высокое гидравлическое сопротивление, необходимость очистки и периодической замены фильтрующих элементов