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/м3срок 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/м3и 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 м2в расчете на 1м3аппарата.
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 υг= 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/м3фильтры 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, dB=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.