Фильтры туманоулавители

Введение 

Отличительной  особенностью  волокнистых  фильтров-туманоуловителей являются коалесценция уловленных жидких частиц при контакте с по- верхностью волокон и образование на них пленки жидкости, удаляющейся по мере накопления из слоя в виде струек или крупных капель, перемещающихся внутри слоя и с тыльной стороны под действием силы тяжести, а также увлечения газовым потоком или капиллярных сил. При этом обычно не требуется никаких механических воздействий фильтрующие слои, т. е. фильтры работают с постоянным сопротивлением в стационарном режиме саморегенерации  (самоочищения).

Выгодно отличаясь по многим параметрам от электрофильтров скрубберов Вентури, волокнистые фильтры обладают существенным достатком — возможностью зарастания  при  наличии  в  тумане  значи- тельного количества твердых частиц и при образовании в слое нерастворимых отложений солей (CaS0₄, СаСО₃, CaF₂, CaSО₃ и др.) за счет взаимодействия солей жесткости воды с газами  (СО₂, SО₂, HF и др.)

Несмотря на указанные недостатки, эти аппараты характеризуют высокой степенью очистки, надежностью в работе, простотой конструкций, монтажа  и обслуживания, а главное возможностью обеспечения очистки тонкодисперсных туманов до любой остаточной концентрации. Поэтому в ряде случаев туманоуловители являются незаменимыми, иногда единственными аппаратами для тонкой очистки газов от туманов в технологических процессах получения серы и термической фосфорной кислоты, концентрирования различных кислот и солей упаркой, производства хлор-газа, испарения масел и других органических жидкостей.

В качестве туманоуловителей широко применяются волокнистые самоочищающиеся фильтры, снаряжаемые слоями из стеклянных, синте- тических и металлических волокон, а также пакетами вязаных металлических или синтетических сеток. Улавливание жидких частиц сопровождается  сложными  вторичными  процессами  в слое,  в результате структура его существенно изменяется. Захваченные волокнами капельки  растекаются  по  их  поверхности с образованием  пленки, толщина которой увеличивается, становится неустойчивой и распадается на дельные капли, которые скатываются по волокнам в места изгибов скрещивания  волокон  под действием сил тяжести и лобового трения в потоке газов. Кроме того, происходит миграция жидкости в пленках на волокнах из малых капель.

Вследствие  действия капиллярных сил соседние волокна мог слипаться, в результате исчезают отдельные мелкие волокна  в недостаточно упругих материалах и образуются более крупные поры. В то же время часть мелких пор заполняется жидкостью, что приводит увеличению истинной скорости газов в более крупных порах слоя. Таким образом, накопление жидкости приводит к значительному изменению строения волокнистого слоя, вызывая падение эффективности улавливания частиц и рост сопротивления фильтра.    Непрерывный рост сопротивления и падения эффективности по мере накопления жидкости продолжается до тех пор, пока фильтрующий слой не войдет в стационарный режим самоочищения. После этого количество жидкости, удерживаемой в слое и стекающей из него, остается постоянным во времени при неизменных параметрах скорости фильтрации и концентрации веществ.

Структура слоя в основном обусловливает локальное накопление: жидкости и формирование определенных путей и скорости вывода ее из слоя. Капиллярные силы не только удерживают жидкость в слое, но и перемещают ее по слою в места с наибольшей плотностью упаковки волокон. Чем больше плотность упаковки слоя и меньше диаметр волокон, тем большее количество жидкости удерживается в слое.

В рыхлых материалах из тонких и неупругих волокон диаметром менее 5 мкм происходит сильное насыщение слоя. При этом образуются новые капельки возникает генерация вторичного аэрозоля. Образование многочисленных пузырьков на тыльной поверхности и в глубине тонковолокнистого слоя и их разрыв приводят к образованию мелких частиц, уносимых газом. В результате сопротивление очень резко возрастает, а эффективность очистки падает, и только снижение насыщенности жидкостью слоя может привести к уменьшению выходной концентрации. Этого можно добиться уменьшением входной концентрации и скорости фильтрации, использованием толстых и пористых слоев с более крупными и упругими волокнами в слое, вертикальным расположением слоя, однонаправленной упаковкой волокон в слое, а иногда и принудительным отводом жидкости из замыкающего слоя [1].

 

1. Классификация волокнистых фильтров-туманоуловителей.

 

 Волокнистые фильтры-туманоуловители  подразделяются  на  три  типа  [1]:

 низкоскоростные (ω<0,2 м/с), снаряжаемые волокнами диаметром 5-20 мкм. и предназначенные для улавливания субмикронных частиц за счет броуновской диффузии и эффекта зацепления; эффективность их увеличивается с уменьшением скорости фильтрации, размера частиц и диаметра волокон;

высокоскоростные (ω >0,5-1,2 м/с) со слоем грубых волокон диаметром 20- 100 мкм. служащие для выделения из газа частиц крупнее 1 мкм за счет механизма инерционного осаждения, эффективность которого возрастает с увеличением размера частиц и скорости фильтрации. До определенной (критической) величины (обычно 1—2,5 м/с), при которой начинается вторичный брызгоуносное уловленной жидкости из слоя в виде крупных капель;

многоступенчатые, состоящие из 2—3 фильтров второго и первого типов, в которых первая ступень работает при скоростях выше критической и является укрупнителем улавливаемых капель при высоких входных концентрациях тумана [2].

 

2. Описание волокнистых  фильтров-туманоуловителей.

 

2.1 Низкоскоростные туманоуловители

      Для снаряжения низкоскоростных фильтров оптимальным является смесь волокон с определенным соотношением грубых и тонких. Грубые упругие волокна обеспечивают равномерное объемное распределение более тонких, увеличивают скорость вывода жидкости из слоя, придают слою механическую прочность и стабильность обеспечивая возможность работы более тонким волокнам по всей глубине слоя. Обычно применяются слои из смеси волокон диаметром от 5 до 20 мкм с пористостью 88—92%  и толщиной от 0,01 до 0,10 м. Иногда используются волокна размером от 8 до 15 мм с толщиной слоя до 50 мм.

Характерная конструкция  низкоскоростного  фильтрующего элемента приведена на рис. 1.

                                               

                                                         

 

Рис. 1. Цилиндрический  фильтрующий элемент: 1 – опорная трубчатая перегородка; 2 – уплотняющий патрубок-фланец; 3 – шпилька; 4 – прокладка; 5 – сетка; 6 – стекло- волокнистый слой; 7 – днище; 8 – трубка гидрозатвора;  9 – стакан.

 

Элемент состоит  из двух соседне расположенных цилиндрических сеток из проволоки диаметром 3,2 мм, приваренных к дну и входному патрубку-фланцу. Пространство между сетками заполнено волокном дно элемента оборудовано трубкой, погруженной в стакан-гидрозатвор, из которого уловленная жидкость перетекает в корпус аппарата. На опорной трубной решетке в корпусе фильтрующие элементы крепятся через прокладку шпильками и гайками.

В зависимости от производительности установок в одном корпусе может  монтироваться от 1   до 50-70 элементов.  На существующих сернокислотных заводах такие элементы часто устанавливаются в отдельном корпусе,  а  в  новых цехах – в   верхних   частях   абсорберов (производительностью до  170 тыс. м³/ч) (рис. 2). Наиболее распространенными за рубежом являются туманоуловители и брызгоуловители, выпускаемые фирмой «Монсанто» (США) и установленные на ряде предприятий СССР. 

                                                      

 

Рис. 2. Размещение фильтрующих  элементов в абсорбционной сернокислой  башне:       1 – элементы;  2 – опорная решетка;  3 – корпус;  4 – монтажный люк; 5 – уловленная кислота.

 

Для изготовления волокон применяются специальные стекла, устойчивые к воздействию концентрированных и разбавленных кислот, снаряжения также используются синтетические волокна из полипропилена, полиэфиров, поливинилхлорида, фторопласта и других полимеров, причем сопротивление и коэффициент проскока частицу у таких фильтров в режиме самоочищения ниже, чем  у фильтров из гидрофильных стеклянных волокон.

В качестве конструкционных  материалов в элементах применяются армированные пластики, нержавеющая сталь, а при температурах выше 50°С легированные молибденистые стали. Максимально допустимая температура для фильтров из стекловолокна 400°С. Низкоскоростные волокнистые фильтры могут снаряжаться следующими видами стекловолокна: фильтровальными стекловолокнистыми пакетами ФСП (ТУ 6-11-363-75) и нетканым объемным материалом МЧПС (ТУ 6-11-339-74); теплоизоляционными рулонами марки Б (ГОСТ 10499- 67) с диаметром волокон 6-13 мкм [3].

 

2.2 Высокоскоростные туманоуловители.

  С повышением скорости фильтрации размеры волокнистых фильтров-туманоуловителей уменьшаются, снижается и стоимость аппаратов. При этом определяющим механизмом осаждения частиц становится инерционный, эффективность проявления которого резко растет с увеличением скорости фильтрации. Высокоскоростные тумано-брызгоуловители выполняются в виде плоских элементов (рис. 3). В установках большой производительности они вмонтированы в многогранный опорный каркас, имеющий снизу поддон конической формы, в который стекает уловленная жидкость. Снижение скорости фильтрации в этих фильтрах более чем на 20-30% сопровождается  резким падением эффективности очистки.

Иглопробивной способ формирование слоев из полимерных волокон позволяет  получить фильтрующие материалы, имеющие благоприятное строение применительно к улавливанию туманов при низких и высоких скоростях фильтрации [4].

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Элемент высокосортного фильтра: 1 – короб с фланцем;  2 –  стек- ловолокно;    4 – сетка.

Волокна в  этих материалах не только располагаются и сцепляются в плоскости слоя, но и переплетаются между отдельными слоями, образуя объемную однородную структуру, очень устойчивую к механическим воздействиям в трех направлениях, упругую и стабильную в мокром состоянии. Эти материалы называются войлоками. Толщина материала изменяется от 3 до 12 мм, масса 1м² – от  0,2 до 1,0 кг.  Войлоки выпускаются промышленностью из волокон диаметром 20, 30, 50, 75 мкм.

В высокоскоростных фильтрах используются полипропиленовые войлоки из волокон диаметром 75 мкм. При скорости фильтрации 1,5-1,7 м/с сопротивление составляет 500 Па, степень очистки для частиц более 3 мкм близка к 100 %. Полипропиленовые материалы благодаря универсальной химической стойкости применяются для улавливания туманов растворов разбавленных и концентрирована кислот и крепких щелочей. Их не рекомендуется использовать после олеумного абсорбера и при концентрации кислоты выше 98 %, так как наличие свободного серного ангидрида в сухом газе приводит к сульфированию полипропилена. В этих случаях устойчиво работают волокна из фторина, специальных сортов стали и стекла [4].

 

  2.3 Двухступенчатые фильтры-туманоуловители

Эти установки  состоят из орошаемого форсунками брызгоуловителя в качестве первой ступени и низкоскоростного фильтра-туманоуловителя в качестве второй ступени. Разработаны два основных типа двухступенчатых волокнистых туманоуловителей, различающихся между собой функциями, которые выполняются  ступенями.

В одном типе установок в первом по ходу газа фильтре улавливаются крупные частицы и несколько снижается концентрация тумана. Во втором фильтре (обычно низкоскоростном) осуществляется тонкая очистка тумана от высокодисперсных частиц, не уловленных в первой ступени. В другом типе установок первая ступень является агломератом для улавливания частиц всех размеров, а уловленная жидкость выносится потоком газа в виде крупных капель, поступающих во второй фильтр-брызгоуловитель. Конструктивно обе ступени фильтра размещаются в едином корпусе.

Область    применения    двухступенчатых    установок:    улавливание аэрозолей   растворимых  аммонийных  солей   (аммиачной   селитры) нейтрализаторов и грануляционных башен.

Двухступенчатые полипропиленовые   фильтры   применяются для улавли-вания тумана на операции упарки гидролизной серной кислоты в установках с погруженным горением в производстве пигментной двух окиси титана. В данном случае в тумане содержится большое количество твердых примесей. Поэтому фильтры оснащены форсунками для периодической промывки материала. Промывная вода подается под давлением 0,15—0,2 МПа с расходом 0,1—0,2 м³/м² в течение 0,5-2 мин. Регенерация производится один раз в смену без отключения газа. Первая ступень снаряжается войлоком из волокон d=75 мкм, скорость фильтрации 5,5-8м/с. Вторая ступень состоит из цилиндрических или конических элементов, снаряженных иглопробивным войлоком из волокон днам. 30-35 или 18-20 мкм и работающих при низких скоростях фильтрации.

 

    

      Рис. 4. Низкоскоростной двухсту-                         Рис. 5. Волокнистый фильтр ФВГ-Т:

пенчатый туманоуловитель:                                   1 – корпус; 2 – кассета с фильтрую-

1 – корпус; 2 – крышка с вентиля-                         щим материалом; 3 – люк для   про- 

тором; 3 – первая ступень  очист-                          мывки; 4 – люк для смены кассеты;

ки;  4 – вторая  ступень  очистки;                          5 – форсунка для промывки шлангом.

5 –дверца; 6 – маслосборник.

Сопротивление установки 3-7 кПа, эффективность очистки 85,4— 99,8%. Входная концентрация тумана 52-124 г/м³ (в расчете на 10% H₂SO₄), температура газов 80-85°С.

Полипропиленовые материалы  можно успешно применять для  технологической и санитарной очистки туманов термической фосфорной кислоты, получаемой путем сжигания желтого фосфора. На рис. 4 показан низкоскоростной двухступенчатый туманоуловитель. На первой ступени установлен грубоволокнистый высокопористый слой, работающий в инерционном режиме, а в качестве второй ступени использованы карманные элементы из стекловолокнистого клееного полотна из волокон диаметром 3-5 мкм.