Розділ 15 Фільтрування аерозолів

У фільтраційних сепараторах очищення повітря (газу) від аерозольних забруднень (пилу, сажі, краплинної вологи) відбувається при проходженні забрудненого потоку через шар пористого матеріалу. В якості фільтрувального шару використовують тканини, кокс, гравій і ін.

Фільтрація диспергаційних і конденсаційних аерозолів в пористому середовищі забезпечує високий ступінь осадження зважених частинок з будь-якими розмірами, навіть близьких до молекулярних. Дисперсна домішка вловлюється при обгинанні потоком аерозолю перешкод, утворених на його шляху структурними елементами пористого шару.

Процес фільтрації заснований на багатьох фізичних явищах (ефект зачеплення, зокрема ситовий ефект, – аерозольні частинки затримуються в порах і каналах, що мають перетин менший, ніж розміри частинок; дія сил інерції – при зміні напряму руху запиленого потоку частинки відхиляються від цього напряму і осідають; броунівський рух – значною мірою визначає переміщення високодисперсних субмікронних частинок; дія гравітаційних сил, електростатичних сил – аерозольні частинки і матеріал фільтру можуть мати електричні заряди або бути нейтральними).

Істотними для фільтрації вважаються наступні механізми осадження частинок на перешкодах: торкання (зачеплення), відсіювання (відсів, ситовий ефект), інерційне захоплення, гравітаційне і дифузійне осадження, електростатична взаємодія. Частка внеску кожного з них може змінюватися від 0 до 1 залежно від умов, в яких відбувається осадження.

Перераховані чинники указують причину наближення частинок до перешкоди на відстань, при якій стає можливим їх осадження, тобто відділення від газової фази. Саме ж відділення відбувається у разі утримання частинок на структурному елементі пористого середовища силами міжмолекулярних (вандерваальсових, квантових електричних) або хімічних зв’язків.

Загальним способом взаємодії частинок з перешкодою для всіх різновидів пористих середовищ є торкання, тобто коли перешкодою будуть вловлені (захоплені) і утримані всі частинки, які можуть його задіти (торкнутися, зачепити). Тому частинки, що проходять від перешкоди на відстані менше свого радіусу, вважаються обложеними за рахунок торкання.

В процесі фільтрації практично завжди відбуваються відсіювання і інерційне захоплення частинок. Ситовий ефект визначає ступінь осадження частинок, які по розмірах не проходять крізь пори. Він набуває одного з визначальних значень після осадження на структурних елементах фільтру первинного шару вловлюваних частинок (автошару), який зменшує розміри пор і виконує надалі функції фільтрувального середовища.

Масивні частинки внаслідок інерції не можуть огинати перешкоду разом з газовим потоком. Зійшовши з лінії струму, частинки можуть зіткнутися з перешкодою або зачепити його. При фільтрації за рахунок інерційного захоплення осідають частинки розміром більше 1 мкм.

Гравітація, дифузія і електростатичні сили роблять вплив на осадження частинок тільки в певних умовах. Гравітаційне осадження може бути помітне, якщо в фільтрувальному середовищі можливе утворення застійних зон, наприклад, в круглих порах і порожнинах.

Частинки розміром менше 0,1 мкм можуть наблизитися до перешкоди, здійснюючи хаотичні переміщення (дифундує) під впливом броунівського руху молекул. Частка дифузійного осадження у вловлюванні крупніших частинок незначна.

Електростатичні сили виявляються при взаємодії носіїв зарядів. Частинки забруднювачів і елементи пористого середовища зазвичай мають невелике число зарядів, нубутих природним чином (при диспергації компактних об’єктів, терті рухомих частинок, адсорбції газових іонів), але сила їх взаємодії невелика. Необхідність обліку електростатичної взаємодії виникає тільки при штучній зарядці фільтрувального матеріалу і частинок.

Більшість фільтрів володіють високою ефективністю очищення. Фільтри застосовують як при високій, так і при низькій температурі середовища, що очищається, при різній концентрації в повітрі зважених частинок.

Відповідним підбором фільтрувальних матеріалів і режиму очищення можна досягти необхідної ефективності очищення у фільтрі практично у всіх необхідних випадках.

Володіючи багатьма позитивними якостями, фільтрувальні пристрої в той же час не позбавлені недоліків: вартість очищення у фільтрах вища, ніж в більшості інших пиловловлювачів, зокрема, в циклонах. Це пояснюється більшою конструктивною складністю фільтрів в порівнянні з іншими апаратами, великою витратою електроенергії. Багато конструкцій фільтраційних пиловловлювачів складніші в експлуатації і вимагають кваліфікованого обслуговування.

За типом структурних елементів пористого шару розрізняють волокнисті, тканинні і зернисті фільтри. У волокнистих фільтрах осадження зважених частинок відбувається на шарах волокон, що утримуються конструкціями у вигляді прямокутних рам, кілець і ін.