Волокнистые фильтры тонкой очистки

В связи с развитием новых отраслей промышленности, в особенности атомной энерге­тики, радиоэлектроники, точного приборостроения, промышленной микробиологии и химико-фармацевтических производств, разрабо­таны волокнистые материалы и фильтры, способные обеспечить тонкую очистку больших объемов газов и воздуха от твердых частиц всех размеров, включая субмикронные. Это вызвано необ­ходимостью очистки радиоактивных или других высокотоксичных аэрозолей, а также обеспечения ряда технологических процессов в рабочих помещениях совершенно свободным от обычной атмо­сферной пыли воздухом.

Эти фильтрующие материалы широко используются в индиви­дуальных средствах защиты органов дыхания (в противогазах и респираторах), а также в устройствах для отбора проб с целью анализа на запыленность.

Для улавливания высокодисперсных аэрозолей с эффективно­стью не менее 99% по наиболее проникающим частицам (разме­ром 0,05—0,5 мкм) широко применяются фильтрующие материа­лы в виде тонких листов или объемных слоев из тонких или ультратонких волокон (диаметр менее 2 мкм). Скорость фильтра­ции в них составляет 0,01—0,15 м/с, сопротивление чистых филь­тров обычно не превышает 200—300 Па, а забитых пылью филь­тров— 700—1500 Па. Улавливание частиц в фильтрах тонкой очистки происходит в основном за счет броуновской диффузии и эффекта касания, поэтому очень важно для изготовления их ис­пользовать волокна диаметром 0,1—1 мкм.

Регенерация отработанных фильтров тонкой очистки в боль­шинстве случаев нерентабельна или невозможна; они предназна­чены для длительной работы (в течение 0,5—3 лет) с последую­щей заменой фильтра на новый. Входная концентрация сухой пыли не должна превышать 0,5 мг/м³, иначе фильтры придется слишком часто менять; например, при увеличении концентрации от 0,5 до 1 мг/м³ срок службы фильтров сокращается до 3—6 ме­сяцев. Часто перед фильтрами тонкой очистки следует устанавли­вать более простые по конструкции и дешевые пылеулавливающие аппараты для снижения концентрации пыли до 0,5 мг/м³ и ниже.

В качестве тонковолокнистых сред в СССР широкое распрост­ранение получили фильтрующие материалы типа ФП (фильтры Петрянова) из полимерных смол. Они представляют собой слои синтетических волокон диаметров 1—2,5 мкм, нанесенные в про­цессе получения на марлевую подложку или «основу» из скреп­ленных между собой более толстых волокон. В качестве полимеров для ФП чаще используются перхлорвинил (ФПП) и диацетатцеллюлоза (ФПА), хотя возможно применение полистирола, полиакрилонитрила, фторполимеров и других полимеров.

Материалы ФП характеризуются высокими фильтрующими свойствами. Малая толщина слоев ФП (0,2—1 мм) дает возмож­ность получать поверхность фильтрации до 100—150 м² в расчете на 1м³ аппарата.

Наибольшее применение получили перхлорвиниловые волокна, характеризующиеся гидрофобностью и высокой химической стой­костью в кислотах, щелочах и растворах солей. Но они не стойки против масел и растворителей и термостойкость их невелика (до 60 °С). Ацетатные волокна гидрофильны, недостаточно стой­ки к кислотам и щелочам, но термостойкость их достигает 150 °С. Пылеемкость материалов типа ФП (50—100 г/м²) вследствие их высокой пористости (е=93—98%) несколько выше, чем асбестоцеллюлозных картонов и стекловолокнистых бумаг в одинаковых условиях эксплуатации.

Материалы ФП различаются между собой диаметром волокон и величиной сопротивления, определяемой при скорости потока 0,01 м/с. Например, марка материала ФПП-15-1,7 означает, что материал состоит из волокон диаметром 1,5 мкм и имеет сопротив­ление 17 Па при υ_г = 0,01 м/с.

Применяя материалы типа ФП для очистки агрессивных га­зов, следует учесть, что хлопчатобумажная марлевая подложка под действием сильных кислот разрушается и необходимо либо нейтрализовать газы, либо использовать материал с другой под­ложкой.

В настоящее время промышленностью изготавливаются только материалы со стандартным сопротивлением 15 и 30 Па. Материа­лы с большим сопротивлением получают, складывая в несколько слоев.

Оптимальная конструкция фильтров тонкой очистки должна отвечать следующим основным требованиям: наибольшей поверх­ности фильтрации при наименьших габаритах; минимальному со­противлению; возможности более удобной и быстрой установки; надежной герметичности групповой сборки отдельных фильтров. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют распро­страненные в настоящее время фильтры рамочной конструкции (рис. 3). Фильтрующий материал в виде ленты укладываемся между П-образными рамками, чередующимися при сборке пакета открытыми и закрытыми сторонами в противоположных направ­лениях. Между соседними слоями материала устанавливаются гофрированные разделители, чтобы не допустить примыкания их друг к другу. Рамки, разделители, боковые стенки корпуса могут быть из различного материала: фанеры, винипласта, алюминия, нержавеющей стали.

Загрязненные газы поступают в одну из открытых сторон филь­тра, проходят через материал и выходят с противоположной сто­роны. На одной торцевой стороне корпуса укрепляется уплотняющий фланец, к поверхности которого приклеена губчатая резиновая прокладка.

Рисунок 3 – Рамный фильтр тонкой очистки: 1 – П-образная планка; 2 – боковая стенка; 3 – разделители; 4 – фильтрующий материал.

В последние годы выпускают фильтры марки Д-КЛ, представ­ляющие собой набор цельноштампованных гофрированных рамок-разделителей из винипластовой пленки, между которыми уклады­вается фильтрующий материал. Эти рамки имеют форму клиньев и установлены с чередованием открытых и закрытых сторон в.про­тивоположных направлениях (рис. 4). В отличие от соответст­вующих им по габариту фильтров с прямыми рамками-разделите­лями фильтрующая поверхность их больше на 25%.

В конструкциях фильтров типа Д-КЛ-У передняя и задняя сто­роны имеют форкамеры и закрыты крышками, снабженными па­трубками (рис. 5). Эти фильтры предназначены для бескамерной установки, их выпускают двух габаритов Д-14КД-У и Д-28КЛ-У [13].

Фильтры типа «Д» и «Д-КЛ» рекомендуется устанавливать так, чтобы рамки находились в вертикальной плоскости; при этом предотвращается провисание материала при накоплении слои пыли.

Кроме рамочных фильтров прямоугольной формы различных габаритов изготавливаются малогабаритные фильтры В-01 и В-04 двустороннего действия цилиндрической формы. Они предназначены для установки в боксах.

Рисунок 4 – Фильтр с сепараторами клиновой формы типа Д-КЛ: 1 – фильтрующий материал; 2 – рамка-сепаратор клиновой формы.

Рисунок 5 – Фильтр Д-КЛ-у: 1 – входное отверстие; 2 – уплотнительное резиновое кольцо; 3 – выходное отверстие; 4 – корпус; 5 – фильтрующий элемент; 6 – форкамера.

Выбор фильтрующего материала ФП зависит от назначения фильтра, требуемой степени очистки и нагрузки на фильтр.

При концентрациях пыли менее 0,5 мг/м³ фильтры могут ис­пользоваться без предфильтров, однако более целесообразно пре­дусмотреть предварительную ступень — фильтры грубой очистки. В фильтрах малой производительности размещают в одном корпу­се фильтры тонкой очистки из материала ФП и фильтры грубой очистки из набивного слоя лавсановых волокон толщиной 100мм. Такие фильтры называются двухступенчатыми или комбинированными (рис. 6). Фильтры типа «ДК» (деревян­ные комбинированные) могут устанавливаться непосредственно на стенках бокса или камеры.

Рисунок 6 – Комбинированный фильтр ДК: 1 – секция с набивным слоем из волокон; 2 – секция тонкой очистки.

Фильтрующие материалы из тонких и ультратонких стеклянных волокон изготавливают двух типов: маты, получаемые прессова­нием мокрых слоев стеклянных волокон (по МРТУ-6-М879-62, стекло состава № 20, d_B=l,5 мкм), и бумага, отливаемая из пулъ-пы на бумагоделательных машинах из волокон диаметром 0,01 — 1 мкм.

Разработаны стекловолокнистые фильтры тонкой и грубой очистки типа ПФТС производительностью 200, 500, 1000 и 1500 м³/ч с сопротивлением от 200 до 1000 Па. Корпуса фильтров изготовлены из нержавеющей стали Х18Н10Т или фане­ры. Фильтры используются в системах, в которых можно ожи­дать загорания уловленного осадка или при наличии в воздухе ве­ществ, разрушающих материалы ФПП и ФПА.

Глубокие фильтры.

В связи с основным недостатком тонково­локнистых фильтров — сравнительно коротким сроком непрерыв­ной работы, во многих случаях используются многослойные глу­бокие фильтры, называемые иногда фильтрами долговременного использования. Эти фильтры состоят из глубокого лобового слоя грубых волокон и более тонкого замыкающего слоя тонких воло­кон, причем плотность упаковки волокон изменяется по глубине.

Многослойные фильтры рассчитаны на непрерывную работу в течение 10—20лет, что подтверждено практикой их эксплуата­ции.

Фильтры долговременного использова­ния обычно размещаются в заглубленных в землю помещениях. По истечении срока службы их отключают и захороняют на месте путем цементирования, а в систему очистки включают резервные фильтры.

Волокнистые фильтры с высотой фильт­рующего слой 0,3—2,0 м широко применя­ются для стерилизации воздуха в произ­водстве антибиотиков, витаминов и других продуктов получаемых ферментацией. На практике установлено, что высокоэф­фективная очистка воздуха от бактерий размером 0,5—5 мкм фильтрацией через волокнистые фильтры является наиболее простым, надежным и недорогим способом стерилизации больших объем воздуха, требуемого для протекания аэробных ферментационных процессов.

Очистка воздуха от пыли и бактерий обычно проводится в две ступени. Первый (головной) фильтр снаряжается слоем стеклян­ного волокна с различной плотностью набивки и высотой филь­трующего слоя в зависимости от диаметра волокон. Диаметр во­локон может варьироваться в пределах от 8 до 19 мкм; скорость фильтрации составляет 1,50 м/с.

Эти фильтры периодически стерилизуют острым паром в тече­ние 4 ч, а затем просушивают сухим воздухом путем продувки в течение суток.

В качестве второй ступени используются фильтры на основе базальтового волокна, устанавливаемые непосредственно перед поступлением воздуха в ферментеры или посевные аппараты.

Корпусы фильтров-стерилизаторов имеют цилиндрическую фор­му и рассчитаны на работу под давлением до 0,3 МПа.

Снижение начальной концентрации аэрозоля при высоко­эффективной очистке газов может проводиться в фильтрах грубой или предварительной очистки, имеющих низ­кое начальное аэродинамическое сопротивление (100—200, Па) ивысокую пылеемкость. Такие фильтры значительно дешевле (иног­да в 10 раз), чем фильтры тонкой очистки, и их можно легко за­менять или регенерировать.

Фильтрующий материал оптимального состава для предфильтров рекомендуется составлять из смеси волокон диаметром от 1 до 20 мим, причем, до 50% волокон должны иметь размеры менее 4 мим. При скорости фильтрации 0,05—0,1 м/с материал должен почти полностью улавливать частицы крупнее 1 мим. После час­тичного забивания пылью фильтр становится эффективным для частиц субмикронного размера: если начальный коэффициент проскока ζ'=50% по частицам размером 0,5 мкм, то конечный коэффициент проскока ζ"=l%.

В условиях эксплуатации большое значение имеет характер изменения сопротивления и эффективности при забивании предфильтров. Если эффективность улавливания по мере забивания возрастает быстрее, чем Δрф, то структура такого материала удов­летворяет предъявляемым требованиям.

При фильтрации полидисперсных аэрозолей распределение частиц в выходящем после предфильтра газовом потоке по разме­рам изменяется вследствие относительного обогащения его наибо­лее проникающими частицами, и достичь в этом случае существен­ного продления сроков службы фильтров тонкой очистки не всег­да удается, так как пылеемкость тонковолокнистых материалов резко снижается, если в аэрозоле отсутствуют крупные частицы.

Окончательную оценку целесообразности применения предфильтров можно получить только в условиях эксплуатации. При­чем определяющим фактором пригодности предфильтра является степень снижения роста сопротивления в фильтрах тонкой очистки.

Срок службы предфильтра до смены или регенерации опреде­ляется его пылеемкостью, которая зависит от предельно допустимой величины сопротивления, устанавливаемого исходя из экономических соображений — сопоставления стоимости энергии, потребляемой вентилятором на преодоление сопротивления филь­тра, и затрат на более мощный вентилятор (с повышенным напо­ром) со стоимостью смены фильтра.

Практически установлено, что при Δрф = 0,5 —0,7 кПа дальней­шая эксплуатация фильтра экономически нецелесообразна. Для
непрерывного поддержания производительности при изменении сопротивления в системе необходимо применять регулирование с по­
мощью дросселя или направляющего аппарата либо использовать
многоходовые вентиляторы или многоступенчатые осевые вентиля­
торы..

Попытки регенерировать предфильтры промывкой, воздейст­вием ударных волн, отсасыванием пыли вакуумом не дали поло­жительных результатов. Поэтому при входной концентрации 0,5— 1 мг/м³ смену предфильтров производят 2—4 раза¹ в год.

На работе фильтров особенно неблагоприятно отражается со­держание в газе частиц гигроскопичных солей, а также конденса­ции паров воды в фильтрующем слое, так как при этом образуют­ся отложения в виде непроницаемой корки, <что приводит к выводу фильтра из строя.