Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
ВОЛОКНИСТОГО ФИЛЬТРА
Цель работы: изучить приемы определения основных параметров работы волокнистого фильтра, освоить методику определения
фракционной степени очистки пылегазовых выбросов.
Задание. 1. Построить гистограммы (для пыли на входе и выходе
из фильтра) и интегральную кривую распределения частиц дисперсной фазы по размерам.
2. Определить общую и фракционную степень очистки пылегазовых выбросов на волокнистом фильтре.
3. Определить пылеемкость волокнистой фильтровальной перегородки.
4. Сравнить расчетную и фактическую степень очистки.
1. Общие положения
Фильтрование широко используется для тонкой очистки промышленных газов и воздуха от аэрозолей. При этом степень очистки
является одной из самых высоких и достигает 99,099,9% для частиц
с размерами до 0,10,05 мкм. Эффективность очистки на фильтрах в
первую очередь определяется характеристиками фильтровальной перегородки. Условно пористые перегородки, используемые для
фильтрования, можно разделить на следующие:
1. Гибкие пористые перегородки
 ткани из натуральных, минеральных, синтетических волокон;
 нетканые материалы (бумага, картон, войлок, иглопробивные
материалы и др);
 ячеистые листы (мембраны, резина, пенополиуретан и др.).
2. Жесткие пористые перегородки (пористая керамика, пластмассы, стекла, металлическая сетка, слои стеклянных и металлических волокон и др.).
3. Зернистые слои (неподвижные свободно насыпанные материалы  гравий, уголь, опилки, дробленные горные породы).
Улавливание аэрозольных частиц происходит за счет того, что
поток аэрозоля в объеме фильтрующего материала многократно дробится на мелкие струйки, которые непрерывно сливаются, обтекая
отдельные элементы фильтровальной перегородки, что способствует
5
приближению взвешенных частиц к поверхности элементов или пор,
их осаждению и удержанию на них силами адгезии.
В фильтрах сухие частицы накапливаются в порах или образуют
пылевой слой на поверхности перегородки и сами становятся частью
фильтрующей среды. Пористость перегородки уменьшается, сопротивление движению газов возрастает. Требуется замена фильтра или
его регенерация.
При улавливании жидких частиц жидкость может удаляться из
пористой перегородки самопроизвольно (саморегенерация).
В зависимости от назначения и величин входной и выходной
концентраций улавливаемой дисперсной фазы фильтры условно подразделяются на три группы.
Фильтры тонкой очистки (высокоэффективные, или абсолютные). Степень очистки выше 99% по субмикронным частицам при
низкой входной концентрации (менее 1 мг/м3) и малой скорости
фильтрации (менее 10 см/с). Регенерации такие фильтры обычно не
подвергаются.
Фильтры для очистки атмосферного воздуха (воздушные фильтры). Концентрация пыли менее 50 мг/м3 при скорости фильтрации до
2,53 м/с. Эти фильтры относятся к нерегенерируемым и периодически регенерируемым.
Промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубоволокнистые). Очистке подвергаются газы с большим содержанием аэрозольных частиц  до 60 г/м3. Эти фильтры подвергаются регенерации.
Основные характеристики, которые рассматриваются при изучении и анализе процессов, протекающих при фильтровании, и выборе
соответствующих аппаратов, описывают зависимость степени улавливания частиц и аэродинамического сопротивления аппарата от
структурных характеристик пористых перегородок, свойств улавливаемых частиц и режима течения газа.
Выделяют две стадии процесса фильтрования:
1. Стационарная фильтрация. Уловленные частицы практически
не изменяют структуру фильтра.
2. Нестационарная фильтрация. Происходят непрерывные
структурные изменения вследствие накопления уловленных частиц в
значительных количествах.
Процессы на второй стадии  определяющие для промышленных
условий, т.к. первая стадия достаточно кратковременна.
6
Для правильного выбора фильтровального материала с учетом
свойств аэрозоля и требований к степени улавливания необходимо
иметь информацию о свойствах фильтровальных материалов.
Это в первую очередь гидравлическое сопротивление в запыленном состоянии, степень обеспыливания газов, способность к регенерации. Из двух сравниваемых фильтровальных материалов лучшим с
точки зрения их фильтровальных свойств можно считать материал,
установка которого в фильтр обеспечивает большую степень пылеулавливания при одинаковом среднем гидравлическом сопротивлении.
Экспериментальное определение рабочих характеристик фильтров и фильтровальных перегородок представляет собой довольно
сложную задачу, главным образом из-за трудностей в получении аэрозолей с заданными характеристиками.
Существует множество способов получения аэрозолей для исследования процессов их улавливания.
Конденсационные аэрозоли получают в результате спонтанной
конденсации пересыщенного пара, смешения газовых потоков с разной температурой или в зоне электрической дуги.
Для получения аэрозолей с жидкими дисперсными частицами
применяют различные механические и пневматические распылители,
ультразвуковые генераторы.
Основной механизм распыления в пневматических распылителях – взаимодействие воздуха со струей жидкости.
Наиболее широкое распространение для образования высокодисперсных аэрозолей из жидкого топлива для его сжигания имеют форсунки.
Аэрозольные частицы диспергационного происхождения несут
на себе значительно больший электрический заряд, чем частицы конденсационного происхождения.
Для получения пылей используют генераторы аэрозолей, работающие по принципу дозирования мелкодисперсных частиц в поток
газа с помощью механических или пневматических устройств.
2. Описание лабораторной установки и методика выполнения
работы
Лабораторная установка состоит из трехсекционного волокнистого
фильтра, двух дифференциальных манометров, счетчика аэрозольных
частиц, воздуходувки, генератора аэрозоля, выпрямителя (рис. 1).
7
В процессе работы установки контролируется численная концентрация пылевых частиц на входе и выходе фильтра, гидравлическое
сопротивление отдельной секции и всего фильтра. Расход газа регулируется выпрямителем. Максимальное значение напряжения питания  6 В. Контроль за расходом газа производится по встроенному в
воздуходувку ротаметру.
3
9
9
1
4
6
воздух
8
~220
В
5
7
2
Рис. 1. Схема лабораторной установки:
1 – трехсекционный волокнистый фильтр; 2 – счетчик аэрозольных частиц; 3, 4 – дифманометры; 5 – воздуходувка; 6 – генератор аэрозоля; 7 – выпрямитель; 8 – трехходовой кран; 9  зажимы
2.1. Определение эффективности работы фильтра
Перед проведением исследований внимательно изучают порядок
работы на счетчике аэрозольных частиц (см. приложение), проверяют
наличие порошка в генераторе аэрозоля для получения соответствующей пыли. В кассету фильтра помещают исследуемую фильтровальную перегородку и собирают фильтр. Соединяют элементы установки в соответствии со схемой (рис. 1). Проверяют собственный
фон счетчика аэрозольных частиц по всем диапазонам (п. 3.2). После
проведения указанных подготовительных операций включают выпрямитель, устанавливают заданный расход запыленного газа (при
напряжении 4 В он составляет 1 дм3/мин) и после 3–5 мин работы
(трехходовый кран 5 при этом закрыт) начинают измерение концен8
трации аэрозольных частиц на входе и выходе из аппарата (п. 3.3) путем установки крана 5 в соответствующее положение. Измерение
проводят для объема пробы, заданного преподавателем. Данные замеров и расчетов заносят в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Показания счетчика аэрозольных частиц
Размер
частиц,
мкм
Фоновая
концентрация,
3
частиц/дм
Сф
Показания счетчика,
частиц/дм3
Показания счетчика за
вычетом фона,
частиц/дм3
На входе
Сф + Сн
На входе
Сн
На выходе
Сф + Ск
На выходе
Ск
> 0,3
> 0,4
> 0,5
> 0,6
> 0,8
> 1,0
Таблица 2
Значения расчетных показателей
Размер
частиц,
мкм
Численная
концентрация,
частиц/дм3
Массовая
Доля частиц фракции
Фракционная стеконцентрация, от общего количества
пень очистки, %
3
г/м
(по массе), %
На
На
На входе
выходе входе
Сн
Ск
Кн
На выНа выхоНа входе
ходе
де
Фн
Кк
Фк
Экспериментальная,
ф э
Теоретическая,
ф т
0,3–0,4
0,4–0,5
0,5–0,6
0,6–0,8
0,8–1,0
 1,0
По разности показаний манометров на входе и выходе аппарата
определяют гидравлическое сопротивление фильтра (Рэксп). Следует
9
иметь в виду, что счетчик ПК ГТА – 03-002 является интегральным.
Он регистрирует и подсчитывает все аэрозольные частицы с размерами, большими заданного по п.3.2.3 диапазона. Поэтому для подсчета частиц определенной фракции, например с размерами 0,3–0,4 мкм,
нужно из показаний счетчика для нижней границы диапазона (в данном случае 0,3 мкм) вычесть показания, соответствующие верхней
границе (0,4 мкм).
Массовую концентрацию частиц фракции (г/м3) определяют по
соотношению
(1)
m = 106 ∙ V ·  · C = 0,52 ∙ 106 · d 3 ·  · С ,
где d – средний размер частиц (принимают среднее арифметическое
значения диапазона фракции), м;
 – плотность частиц, кг/м3;
С – численная концентрация частиц фракции, частиц/дм3.
Используя данные о фракционном составе пыли на входе и выходе из фильтра, строят гистограммы распределения частиц по размерам, дифференциальные и интегральные кривые распределения частиц дисперсной фазы по размерам.
По построенному графику интегральной кривой (рис. 2) определяют такие величины, как медианный размер частиц dm и стандартное отклонение функции распределения ч дисперсного состава пыли. Значение ч может быть рассчитано по соотношению
(2)
lg ч = lg dm  lg d15,97 = lg d84,03  lg dm ,
где d15,97, d84,03  значение абсциссы, ордината которой равна 0,1597
(15,97%) и 0,8403 (84,03%) соответственно.
Эти величины используются при подборе пылеуловителей, они
позволяют достаточно точно прогнозировать ожидаемую степень
очистки выбросов на очистных аппаратах различных типов.
Фракционную степень улавливания определяют, используя данные о концентрации частиц фракции на входе и выходе из аппарата,
рассчитывают общую степень очистки для исследуемого фильтра:
(3)
общ = (ф1 · Ф1 + ф2 · Ф2 + ….+ фn · Фn ),
где общ – общая степень очистки, %;
Фi – фракционная степень очистки, %;
Фi – содержание частиц i-той фракции на входе в волокнистый
фильтр, доли.
По данным о фракционной степени улавливания строят кривую
фракционной степени очистки.
10
Массовая доля, %
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
d 15,97 dm d 84,13
46
64
87
150
200
Размер частиц, мкм
Рис. 2. Интегральная кривая фракционного состава пыли
2.2. Определение пылеемкости фильтра
При исследовании пылеемкости фильтра и изменения его гидравлического сопротивления в зависимости от количества уловленной
пыли в кассету помещают предварительно взвешенный фильтр и
проводят эксперимент до момента достижения заданной величины
гидравлического сопротивления. После этого фильтр извлекают и
взвешивают. По разности масс определяют пылеемкость фильтра в
расчете на единицу площади.
Определение степени очистки проводят для начального и конечного (по времени работы до заданного Р) этапа эксплуатации
фильтра.
Рассмотренная на примере волокнистого фильтра процедура определения основных эксплуатационных характеристик фильтровальной перегородки может быть использована для исследования тканевых и зернистых фильтров.
2.3. Расчет ожидаемой степени очистки фильтра
Для частиц одного размера для исследуемого волокнистого
фильтра рассчитывается фракционная степень очистки по соотношению
11
 = 100 – П / 100,
где П – коэффициент проскока, %.
lg П = (0,86    H  Σ) / (  Rэф  (1  )),
(4)
(5)
где   плотность упаковки элементов волокнистого слоя (определяется по графику на рис. 3);
Н – толщина волокнистого слоя, м;
ηΣ – коэффициент захвата частиц;
Rэф – эффективный радиус волокон, м.
Значение  находят из графика, представленного на рис. 3 по коэффициенту сопротивления слоя К0:
(6)
К0 = Рэксп · R2 / (U ·  · Н),
где Рэксп – гидравлическое сопротивление фильтра, Па;
R – средний радиус волокон фильтра, м;
U – скорость фильтрования, м/с;
 – динамическая вязкость газа (воздуха) в условиях опыта, Па∙с.
2
R эф

17,5  U    H
  1, 5  (1  52   1, 5 ) .
 Pэксп
(7)
Радиус
волокон (R) определяют с помощью микроскопа
МБС-100, оснащенного окуляром с микрометрической шкалой с известной ценой деления. Определение размеров волокон производят
на основании не менее 20 измерений для различных точек по площади и толщине фильтра. Скорость фильтрования определяют исходя из
объемного расхода газа и площади фильтра (20 см2).
  [Rк + (0,25 + 0,4 ∙ Rк) ∙ (Stк + 2  Ре –1) – 0,0263 ×
× (Stк + 2 Ре –1)2] ∙ (0,16 + 10,9 ∙   17 ∙ 2),
где Rк – параметр касания Rк = d / (2 ∙ Rэф);
d – диаметр частиц, м;
Stк – инерционный критерий Стокса;
Ре – критерий Пекле.
Stк = d 2 ∙ U ∙  ∙ КС / (36 ∙  ∙ Rэф),
Ре –1 = Dч / (2 ∙ Rэф ∙ U),
(8)
(9)
(10)
3
где   плотность частиц, кг/м ;
КС – поправка Кеннингема – Милликена;
Dч – коэффициент диффузии частиц пыли, м2/с.
12
K0
10
1
0,1
0,01
13
Кармана
Дэвиса
0,001
Фукса
0,0001
0,00001
0,001
0,01
0,1
Рис. 3. Зависимость коэффициента сопротивления К0 от плотности упаковки волокон 
1 
КС = 1 + (2 ∙   d) ∙ [1,25 + 0,4 ∙ ехр(0,55 ∙ d / )],
(11)
где   длина свободного пробега молекул газа (воздуха), зависящая
от температуры и давления. Для воздуха при температуре 20ºС и
нормальном атмосферном давлении  = 6,5 ∙10–8 м.
Коэффициент диффузии частиц (м2/с) для воздуха с температурой, отличной от 20ºС, может быть рассчитан по формуле
(12)
Dч = КС ∙ КБ ∙ Т / (3∙ ∙  ∙ d),
где КБ – постоянная Больцмана, равная 1,38 ∙10-23 Дж/К;
Т – абсолютная температура газа (воздуха), К.
Динамическая вязкость воздуха (Па∙с) при температуре опыта
(t, ºС) может быть рассчитана по формуле
(13)
 = 17,3 ∙ 10–6 ∙ [397 / (t + 397)] ∙ [(t + 273) / 273]1,5.
Коэффициент проскока при малых значениях скорости фильтрования (≤ 2 см/с) может быть рассчитан по выражению
П  0 , 284  exp(  0 ,344 
H  D ч2 / 3  K 02 / 3 .
)
U 2 / 3  ( 2  R эф ) 5 / 3
(14)
Расчетное значение степени очистки сравнивается с полученным
экспериментально.
3. Порядок работы
ПК ГТА – 03-002
на
счетчике
аэрозольных
частиц
1. Подготовка к работе.
1.1. Проверить заземление.
1.2. Кнопка «сеть» должна быть отжата.
1.3. Включить прибор в сеть.
1.4. Нажать кнопку «сеть» (включение счетчика).
1.5. Включить на 15 мин насос кнопкой .
2. Проверка собственного фона счетчика.
Собственный фон необходимо вычитать из показаний счетчика.
2.1. Надеть на штуцер «Вход аэрозоля» фильтр.
2.2. Нажать кнопку «1,0 L».
2.3. Включить насос кнопкой .
2.4. Нажать кнопку «0,3» переключателя каналов m.
2.5. Произвести пуск измерений, нажав кнопку
, при этом на
установленное время (около 1 мин) загорится сигнальный светодиод.
14
2.6. По окончании счета (светодиод погаснет, показания на табло
перестанут изменяться) записать показания электронного счетчика,
соответствующие собственному фону.
2.7. Измерить собственный фон в остальных каналах, поочередно
нажимая соответствующие кнопки переключения каналов и производя пуск измерений.
2.8. Снять фильтр со штуцера «Вход аэрозоля».
3. Порядок работы.
Измерения концентрации аэрозоля в режиме ручного пуска.
3.1. Включить насос  и краном отрегулировать его производительность так, чтобы верхний кран поплавка ротаметра находился на
уровне риски (регулировка положения поплавка производится ручкой, расположенной ниже ротаметра).
3.2. Установить на переключателе каналов желательный канал
измерения.
3.3. Установить желательный объем пробы, поступающей на анализ нажатием кнопки «0,1L», «1,0L», «10L» или «k» (обычно «1,0L»).
Положение «k» соответствует непрерывному измерению, при котором время измерения необходимо контролировать по внешним часам.
3.4. Нажать и отпустить кнопку
. Счет останавливается автоматически. Если нажать кнопку «хК», то остановка счета осуществляется нажатием кнопки  (стоп).
Для кнопок «1,0L», «0,1L», «10L» цифровые индикаторы показывают концентрацию аэрозоля в частицах в литре. Если нажата кнопка
«хК», то необходимо сделать перерасчет на 1 дм3 анализируемого аэрозоля. Для этого показания цифровых индикаторов нужно умножить
на коэффициент 1/Т, где Т – время измерения в мин.
Положение «хК» рекомендуется использовать для измерения
низких концентраций аэрозоля.
Вопросы для самоконтроля
1. Основные свойства аэрозолей.
2. Классификация фильтров и фильтровальных перегородок.
3. Улавливание аэрозолей тканевыми фильтрами.
4. Зернистые фильтры.
5. Улавливание аэрозолей волокнистыми фильтрами.
15