ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕСС ФИЛЬТРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ФИЛЬТРОВ

реклама
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕСС ФИЛЬТРОВАНИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ФИЛЬТРОВ
Битус Е.И., Цыганов А.В.
МГУТУ им. К.Г. Разумовского
Аннотация: Приведены результаты исследования влияния технологических
параметров на гидравлическое сопротивление и производительность фильтра.
Установлены основные факторы способствующие улучшению регенерации.
Ключевые слова: Структура материала, физико-механические свойства, скорость
фильтрования, чистота фильтрации, производительность фильтра.
Abstract: The results of studies of the effect of process parameters on the flow
resistance and filter performance. The basic factors that improve regeneration.
Keywords: The structure of the material, mechanical properties, filtration rate, purity
filtration performance of the filter.
Введение и постановка задачи
Характер процесса фильтрования может быть разным и зависит от
ряда факторов, главными их которых являются физико–механические
свойства, дисперсный состав частиц и их концентрация в потоке,
структура
материала
фильтровальной
перегородки,
скорость
фильтрования, чистота фильтрации и перепад давления на фильтре.
Рассмотрим основные закономерности процесса нестационарного
фильтрования
и
влияние
технологических
параметров
на
гидравлическое сопротивление и производительность фильтра.
1. Фильтрование с образованием осадка
В случае фильтрования с образованием на перегородке слоя
осадка потеря давления в нем при ламинарном движении определяется
по формуле:
∆P0 = r0h0µW,
(1)
где µ – динамическая вязкость газа; W – средняя скорость газа,
отнесенная к площади фильтрующего слоя; h0 – переменная высота
слоя осадка; r0 – коэффициент сопротивления слоя осадка.
r0 = B(1- ε0)2 / δ2ε03,
(2)
где ε0 – пористость осадка; δ – эквивалентный диаметр частиц; В коэффициент, учитывающий форму и распределение дисперсного
состава частиц.
Отсюда
видна
зависимость
потери
давления
от
скорости
фильтрования, от размера и формы частиц, пористости слоя осадка,
которая связана с формой частиц и их распределением по размерам.
Уменьшение размера частиц и пористости слоя ведет к росту
коэффициента сопротивления слоя осадка.
Объем осадка, отложившегося на поверхности фильтперегородки,
можно определить через ее площадь и толщину осадка:
Q0 = Fh0 = x0Qф ,
(3)
где x0 = Сη – коэффициент, связанный с концентрацией частиц в
потоке С и эффективностью их осаждения η; Qф – объем фильтрата.
Тогда для высоты слоя осадка за время фильтрации τ имеем
h0 = x0Qф /F = x0q,
(4)
где q – удельный объем фильтрата, т.е. объем фильтрата,
полученный с единицы поверхности фильтрперегородки за время τ.
С учетом (4) уравнение (1) принимает вид
∆P0 = r0x0µWq
(5)
W = dQф/Fdτ = dq/dτ
(6)
Скорость фильтрации
Если имеется теоретическая или экспериментальная зависимость
q(τ), то при ее дифференцировании можно определить текущее
значение W.
Рассмотрим
процесс
при
W=const,
при
котором
удобно
испытывать фильтровальный материал. В этом случае q=Wτ и (5)
принимает вид
∆P0 = r0x0µW2τ
(7)
Полный перепад давления на фильтре складывается из начального
перепада в пределах перегородки и текущего значения в осадке
∆P = ∆Pн + ∆P0
(8)
Полученное выражение в координате ∆P – τ представляет прямую
линию. При τ = 0 потеря давления равна начальной потере давления на
перегородке, а коэффициент сопротивления слоя осадка
r0 = tgα/ x0µW2
(9)
∆P
∆Pп
0
τ
Рисунок 1 – График процесса фильтрования с образованием осадка при
постоянной скорости
Так, по опытным данным ∆P – τ можно установить характер процесса и
константу фильтрования r0.
2. Фильтрование с закупориванием пор
Рассмотрим случай фильтрования с постепенным закупориванием
пор. При таком фильтровании размер пор в десятки и сотни раз
превосходит размер улавливаемых частиц, которые осаждаются в
порах слоя на поверхности волокон. Потеря давления при постоянной
скорости в таком процессе растет во времени за счет постепенного
увеличения коэффициента сопротивления фильтрующего слоя при
снижении пористости слоя и размера пор.
Запишем потерю давления в слое через эквивалентный диаметр
пор
∆P = АµHW / εdэ2 ,
(10)
За время ∆τ на стенках пор отложится слой осадка толщиной
h0=0,5(dн-d),
где dн, dэ – начальный и переменный эквивалентный диаметр пор.
Объем осадка, отложившийся за это время во всех порах
перегородки
Q0 =
mH
( dн2 – d2),
4
(11)
где m – общее количество пор в пределах перегородки.
С другой стороны,
m=4Fεн / πdн2
(12)
где εн – пористость перегородки в начале процесса.
Из (10) с учетом (4), получим
d=dн(1 – x0q/εH)0,5
Полученный
объем
фильтрата
через
(13)
поры
перегородки
с
постоянной скоростью W
Qф=mπd2Wτ/4
(14)
C учетом (11) – (14) из (10) получим основное уравнение процесса
фильтрования с постоянной скоростью и постепенным закупориванием
пор
∆P=∆Pн/(1 - x0 Wτ /εнH)2
(15)
где начальный перепад давления на перегородке определяется по
(10).
∆P
∆Pп
0
τ
Рисунок 2 – График процесса фильтрования с постепенным
закупориванием пор при постоянной скорости
Так, по опытным данным ∆P(τ)можно установить характер
процесса
и
определить
начальную
потерю
давления
∆Pн
на
перегородке.
Сравнивая (8) и (15), отметим, что в процессе фильтрования с
закупориванием пор перегородки должен наблюдаться более быстрый
рост потери давления, чем в процессе с образованием осадка.
Обычно характер реального процесса одного цикла фильтрования
является смешанным и последовательным. В начале цикла за время Т’
на участке А–В идет закупорка пор перегородки с одновременным
образованием на ней поверхностного слоя осадка, а на участке В–С за
время Т’–Т идет наращивание слоя осадка.
∆Pк
α
С
В
∆Pн’
∆Pн А
Т’
Т
τ
Рисунок 3 – Цикл фильтрования в реальном фильтре
В нерегенерируемом фильтре начальный перепад давления ∆Pн
определяется сопротивлением чистой перегородки. Ее структура
должна обеспечивать необходимую степень очистки, приемлемую
длительность цикла фильтрования и пылеемкость. В реальном фильтре
характер процесса при постоянной скорости и его продолжительность
во времени до достижения ∆Pк, как было показано выше, зависят от
структуры фильтрующего материала, его толщины и пористости,
размера пор и диаметра волокон при заданных значениях размера
частиц пыли, ее концентрации в потоке и эффективности улавливания.
С этих позиций он и должен оптимизироваться. Например, можно
подобрать наиболее тонкие волокна по требуемой эффективности
улавливания наиболее проникающих частиц, а для повышения
механической прочности материала и его пылеемкости распределить
по глубине слоя волокна разной толщины и плотность их упаковки в
слое таким образом, чтобы заполнение слоя пылью оказалось
равномерным, а прочность материала достаточной.
В
регенерируемом
определяется
фильтре
равновесным
начальный
сопротивлением
перепад
давления
перегородки,
т.е.
равновесным остаточным ее запылением после значительного числа
циклов регенерации, в которых ∆Pн
∆P’н, а участок В–С становится
основным при Т>>T’ в цикле фильтрования.
Выводы
По опытным данным ∆P(τ) можно установить характер процесса
фильтрования (закупоривание пор, смешанный процесс, образование
осадка) и его продолжительность, определить параметры фильтрования
∆Pн , ∆P’н и Ко. С учетом этих параметров можно вычислить время τр
между циклами регенерации и толщину hо слоя осадка, образующегося
на перегородке за цикл.
Для промышленных регенерируемых фильтров важное значение
имеет регенерируемость перегородки, способность восстанавливать
начальное равновесное сопротивление, сохранять пылеулавливающую
способность и выдерживать большое число механических воздействий
на нее в циклах регенерации. Улучшению регенерации способствуют
структура
перегородки,
обеспечивающая
протекание
процесса
фильтрования с образованием осадка, низкая скорость и предельное
давление в цикле фильтрования, малая слипаемость пыли и ее
грубодисперсность.
Литература
1. И.П. Мухленов, А.Е. Горштейн, Е.С. Тумаркина.
Основы химической технологии: Учебник для
студентов хим.-технол.спец. вузов – 4-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1991.
2. Аблесимов Н.Е., Земцов А.Н. Релаксационные
эффекты
в
неравновесных
конденсированных
системах. Базальты: от извержения до волокна.
Москва, ИТиГ ДВО РАН, 2010. 400 с.
Скачать