Рис. 1. Качественная картина процесса фильтрации аэрозоля в стационарном слое пористых углеродных гранул и регенерации фильтрующего слоя
Рис. 2. Дисперсный состав сажевого аэрозоля перед фильтрующим слоем при скорости воздуха в сопле эжектора генератора аэрозоля
Рис. 3. Зависимость сопротивления фильтра от скорости фильтрации аэрозоля
Рис. 4. Зависимость эффективности фильтрации сажевого аэрозоля от гидравлического сопротивления зернистого фильтра
Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления зернистого фильтра от скорости регенерации фильтрующего слоя для различных углеродных материалов
Табл. 1. Основные технические характеристики пористых углеродных материалов экспериментальной установки элемента зернистого фильтра
Качественная картина процесса фильтрации аэрозоля в слое гранул и его регенерации представлена на рис. 1. Углеродные материалы зернистого слоя фильтра представлены в табл. 1. Аэрозоль получали подачей высокодисперсного углерода в эжектор генератора, в сопло которого подавался воздух со скоростью от 100 до 275 м/с. Дисперсный состав его представлен на рис. 2.
Экспериментальными исследованиями установлена зависимость гидравлического сопротивления запыленного углеродного слоя фильтра .p от скорости фильтрации аэрозоля Wф, концентрации Свк и дисперсного состава . аэрозольных частиц, времени фильтрации .ф, а также гранулометрического состава d3 и высоты фильтрующего слоя Н:
∆p = 46,5 × Wф 1,5 × Свх 0,2 ×δ–0,08 × × tф 0,6 × dз –0,34 × H0,74.
Полученная эмпирическая зависимость (1) удовлетворительно описывает результаты экспериментальных измерений. На рис. 3. представлены зависимости гидравлического сопротивления зернистого фильтра от скорости фильтрации сажевого аэрозоля:
- кривые 1, 2 — для условий фильтрации аэрозоля с концентрацией аэрозольных частиц 1,0 г/м3 и среднемедианным размером 0,06 мкм через слой углеродного материала «Техносорб-1» с размером гранул 1,0–2,0 мм, высотой слоя 200 мм и пористостью 0,7;
- кривые 3, 4 — для условий фильтрации аэрозоля с концентрацией аэрозольных частиц 0,25 г/м3 и среднемедианным размером 0,015 мкм через слой углеродного материала «Карбофильтр-1» с размером гранул 1,4–2,0 мм, высотой слоя 130 мм и пористостью 0,6.
При этом кривые 1 и 3 получены по уравнению (1), а кривые 2 и 4— по экспериментальным данным. Зависимость между эффективностью фильтрации аэрозоля в стационарном зернистом слое пористых гранул и гидравлическим сопротивлением запыленного слоя описывается вероятностным законом [2]:
η = 0,5 ×(1 + erf λ), (2)
где erf λ— табулированный интеграл, а λ— коэффициент гидравлического сопротивления зернистого слоя.
η = 0,5 × [1 + erf (γ × ∆р0,5)], (3)
где γ = С ×δ/µ× × [Свх ×ρs/ρ×(1 – ε)]0,5, (4)
где .s и . — соответственно плотности вещества аэрозольных частиц и углеродных гранул слоя, кг/м3; С — коэффициент пропорциональности, рассчитанный экспериментальным путем для «Карбофильтр-1» Ск = 261; для «Техносорб-1» Ст = 815; . = 0,015 и 0,06 мкм; µ = 18 . 10–6 Н•с/м2; Свх = 0,25 и 1,0 г/м3; . — пористость слоя 0,6 и 0,7. Установлено, что уравнение (3) с достаточной для практики точностью описывает процесс улавливания аэрозольных частиц зернистым фильтром со слоем пористых углеродных гранул.
На рис. 4 представлены зависимости эффективности фильтрации сажевого аэрозоля от гидравлического сопротивления зернистого фильтра для условий фильтрации аэрозоля, указанных выше.
В связи с тем, что при фильтрации аэрозоля со среднемедианными размерами аэрозольных частиц более 3 мкм во всем диапазоне исследуемых параметров процесса эффективность их улавливания близка к 100 %, для получения более ясной картины зависимости эффективности улавливания аэрозольных частиц от гидравлического сопротивления слоя по результатам экспериментальных исследований использовали высокодисперсные аэрозоли со среднемедианным размером частиц 0,015 и 0,06 мкм.
Регенерацию запыленного фильтрующего слоя проводили в режиме псевдоожижения слоя подачей воздуха под гидродинамическую решетку на 20–48 с со скоростью 0,5–0,7 м/с. При этом установлено, что гидравлическое сопротивление фильтра при регенерации слоя растет с увеличением скорости регенерации слоя, его плотности и высоты, рис. 5.
При скорости регенерации запыленного слоя ниже 0,6 м/с отмечается рост высоты слоя, а при скорости более 0,7 м/с— частичный унос из слоя мелких гранул.
Заключение
Исследованиями процесса фильтрации аэрозоля дисперсного углерода в слое пористых углеродных гранул установлено, что гидравлическое сопротивление запыленного слоя растет с увеличением скорости и времени фильтрации аэрозоля, дисперсного состава и концентрации аэрозольных частиц, плотности и высоты фильтрующего слоя, а также с уменьшением размера гранул, расширением гранулометрического состава слоя и с достаточной точностью описывается уравнением (1).
Эффективность фильтрации аэрозоля повышается с ростом скорости фильтрации в исследованной области (0,3–1,0 м/с), времени фильтрации, концентрации и размера аэрозольных частиц, пористости и высоты фильтрующего слоя, а также с уменьшением размера гранул и плотности слоя. Степень улавливания аэрозольных частиц в слое пористых углеродных гранул возрастает с увеличением его гидравлического сопротивления и может быть рассчитана по уравнениям (1–3).
Регенерацию запыленного слоя пористых углеродных гранул в режиме псевдоожижения следует проводить 40–60 с со скоростью, отнесенной к поверхности слоя, равной 0,6–0,7 м/сек. Полученные результаты могут быть использованы в качестве исходных данных для проектирования установок фильтрации промышленных аэрозолей.
