1.1.5. Коагуляция аэрозолей

17. Коагуляция аэрозоля – это процесс столкновения и слияния жидких или слипания твердых аэрозольных частиц друг с другом. При коагуляции уменьшается частичная концентрация аэрозольных частиц, но увеличиваются их размеры. Следовательно, изменяется их распределение по размерам. Приведите примерный вид графиков функций дифференциального распределения аэрозольных частиц по размерам для нескольких последовательных моментов времени при протекании коагуляции. Какую роль играет коагуляция частиц в процессах очистки газов от пыли а также жидкостей от взвешенных в них частиц суспензий?

18. Процесс коагуляции монодисперсных (монодисперсных!) аэрозольных частиц описывается дифференциальным уравнением

dC/dt = - К ∙ C² ,

где С – частичная (частичная 1/м³, а не массовая мг/м³) концентрация аэрозольных частиц,

К – константа коагуляции.

Решением этого уравнения является функция

(1/С) – (1/С_о) = К∙ t

Изобразите график этой функции в координатах 1/С и t.

График зависимости обратной величины частичной концентрации аэрозольных или гидрозольных частиц от времени при коагуляции имеет вид:

19. Теоретическая оценка константы К коагуляции монодисперсных сферических частиц аэрозоля с размером r имеет вид

К = 8 ∙  ∙ D ∙ r , D = k ∙Т ∙ В

где D – коэффициент диффузии монодисперсных аэрозольных частиц,

k - константа Больцмана (k = R / N_A),

В – подвижность аэрозольной частицы,

R - универсальная газовая постоянная.

Как изменяется скорость коагуляции с изменением размеров частиц при прочих равных условиях? Не забудьте учесть поправку Кенингема.

1.1.6. Методы и аппараты для очистки газов от аэрозолей

20. Эффективность Э любого очистного устройства определяется формулой

Э = (С_о - С ) / С_о = 1 - К,

где С_о и С соответственно массовые (массовые, а не частичные) концентрации примеси в

газе (жидкости) до и после его очистки,

К = С / С_о - коэффициент проскока.

Если для определения эффективности используется частичная концентрация аэрозольных частиц, то должен быть указан размер этих частиц.

Очевидно, что суммарная эффективность Э очистного устройства при фильтрации полидисперсного аэрозоля может быть найдена, если известны функция распределения f(r) аэрозольных частиц по размерам и эффективность Э(r) улавливания частиц с размерами r

Э = ∫ Э(r)· f(r) ·dr

Какова вероятностная трактовка параметров Э и К?

Аппараты, в которых используется сила тяжести

21. Пылевая камера. Изобразите эскиз пылевой камеры. Поясните принцип ее действия. Определите эффективность аппарата.

Рис.1. Продольный разрез Рис.2. Продольный разрез плоскопараллельного

пылевой камеры. канала пылевой камеры .

Пылевая камера сконструирована для очистки воздуха от крупной пыли и представляет собой набор горизонтально ориентированных и параллельно соединенных плоскопараллельных каналов (рис.1). Воздух при ламинарном течении в каналах обеспыливается в результате оседания частиц пыли на полки в поле силы тяжести. При увеличении количества n каналов уменьшается высота h канала, и это хорошо для увеличения эффективности Э камеры. Камера спроектирована так, чтобы расход воздуха во всех каналах был одинаковым (чтобы гидродинамическое сопротивление воздуху при течении через разные каналы было одинаковым, чтобы длина пути воздуха, проходящего через разные каналы, была одинаковой, чтобы условия осаждения пыли во всех каналах были одинаковыми). На рис.2 показана траектория аэрозольной частицы при движении ее через канал. Траектория складывается из двух движений - движения вместе с потоком воздуха u и оседание вниз под действием силы тяжести. Из рис.2 видно, что эффективность улавливания в канале длиной l частиц пыли с размером r равна

Как найти (r) ? Если объемный расход запыленного воздуха через пылевую камеру с высотой

Н = n ∙ h и шириной b равен G, то средняя скорость потока в канале равна . Время нахождения частицы пыли в канале равно t = l/ u. Расстояние, на которое в канале успеет опуститься пылинка за это время, равно

(r) = ,

Тогда эффективность удаления из воздуха пылинок с размером r равна

/ , если / ≤ 1 и

1, если / > 1.

Суммарная эффективность для частиц аэрозоля разных размеров равна

Э =

Очевидно, что при уменьшении объемного расхода газа через камеру эффективность очистки будет увеличиваться (увеличиваются t и ). Иначе говоря, эффективность аппарата увеличивается при уменьшении его производительности и, следовательно, при увеличении стоимости очистки. Следовательно, производительность и эффективность аппарата выбирают, решая задачу на оптимум, варьируя качество и стоимость очистки.

Аппараты, в которых используется сила инерции

22. Циклон (см. рис.). Аппарат для очистки воздуха (газа) от взвешенных твердых частиц, представляет собой цилиндрический резервуар 1 с конусом и бункером 4 внизу. Запыленный воздух, поступая в цилиндр по касательной через боковой патрубок 2, закручивается. Под действием центробежной силы пыль из закрученного потока отбрасывается к стенкам и ссыпается в бункер. Очищенный воздух удаляется из циклона через центральную цилиндрическую трубу 3 в верхней части циклона. Эффективность улавливания пыли циклоном увеличивается с увеличением размеров и плотности улавливаемых частиц.

23. Циклон. Известно, что эффективность циклона очень чувствительна к расходу очищаемого газа. Она максимальна при оптимальном расходе очищаемого газа для циклона данных размеров. Почему эффективность циклона резко снижается при существенном увеличении или уменьшении объемного расхода газа по сравнению с оптимальным?

При оптимальном расходе в циклоне возникает устойчивое спиралеобразное движение струи очищаемого воздуха под действием сил перепада давления и инерции (эти силы формируют спираль) и силы внешнего трения (эта сила, возникающая вследствие трения потока о стенки, действует против сил перепада давления и инерции). При уменьшении расхода уменьшаются и перепад давления и инерция – спираль разрушается. При увеличении расхода увеличивается сила трения и увеличивается турбулентность потока, также разрушающие спираль. В обоих случаях воздух просто проваливается по кратчайшему пути от входного отверстия вниз к отверстию в центральной выходной трубе. При этом исчезает центробежная сила, отбрасывающая в закрученном потоке частицы пыли к внешней стенке циклона. Эффективность очистки снижается до нуля.

Другое объяснение.

В циклоне под действием перепада давления газ стремится двигаться по кратчайшей траектории от входного патрубка к нижнему отверстию центральной трубы (дайте эскиз). При увеличении расхода газа увеличивается его линейная скорость. Струя газа отклоняется вследствие инерции от кратчайшего пути и закручивается вокруг центральной выходной трубы. Возникает спиралеобразный поток. При увеличении скорости спираль становится более оформленной. Но при еще большем увеличении скорости спиралеобразное движение тоже разрушается из-за усиления турбулентности.

24. Циклон. Если в корпусе циклона давление воздуха больше атмосферного (вентилятор расположен до циклона), то в случае небрежной эксплуатации возможна утечка газа из аппарата через неплотности в сборнике пыли (заслонка не плотно закрывает бункер). Практика показывает, что при небольшой утечке эффективность работы циклона увеличивается. Почему? Приведите поясняющий рисунок.

Рис. Схема утечек из циклона через неплотность в заслонке при расположении вентилятора перед циклоном. Тогда давление газа в корпусе циклона больше атмосферного.

25. Циклон. Если в корпусе циклона давление воздуха меньше атмосферного (вентилятор расположен после циклона), то в случае небрежной эксплуатации возможен небольшой подсос атмосферного воздуха в аппарат через неплотности в заслонке в бункере. Практика показывает, что при таком подсосе эффективность работы циклона уменьшается. Почему? Приведите поясняющий рисунок.

26. Циклон. При небольшом увеличении скорости u потока газа в циклоне по спирали увеличивается также и скорость u_R смещения частиц пыли к стенкам. Однако это слабо влияет на увеличение эффективности улавливания пыли из - за одновременного уменьшения времени пребывания частиц в циклоне. Случаи существенного изменения скорости рассмотрены выше.

27. Циклон. При уменьшении угла наклона входного патрубка в циклоне увеличивается число витков воздуха вокруг центральной трубы, увеличивается гидродинамическое сопротивление циклона, увеличивается и его эффективность. Приведите поясняющий эскиз.

Как видно, увеличение эффективности циклона влечет увеличение эксплутационных затрат (нужно ставить более мощный вентилятор).

28. Циклон. При очистке газа от полидисперсной пыли суммарная эффективность двух последовательно соединенных циклонов не намного увеличивается по сравнению с эффективностью одного (эскиз). После первого циклона в газе остаются в основном мелкие частицы, которые плохо улавливаются и первым и вторым циклонами.

А если аэрозоль монодисперсный? Чему тогда равна эффективность Э_∑ работы двух последовательно соединенных одинаковых циклонов, если эффективность одного циклона равна Э?

Э_∑ = 1 – (1 – Э)ⁿ, где n = 2. Докажите.

29. К мокрым пылеуловителям относят барботажно-пенные пылеуловители с провальной (рис. слева) и переливной решетками (рис. справа). В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от части пыли за счет осаждения частиц на внутренней поверхности газовых пузырей. Режим работы аппарата зависит от скорости подачи воздуха под решетку. При скорости до 1 м/с наблюдается барботажный режим работы. Дальнейший рост скорости газа в корпусе 1 аппарата до 2.5 м/с сопровождается возникновением пенного слоя над жидкостью, что приводит к повышению эффективности очистки газа и увеличению уноса брызг из аппарата. Современные барботажно-пенные аппараты обеспечивают эффективность очистки от мелкодисперсной пыли 0.95 – 0.96 при удельных расходах воды 0.4 – 0.5 л/м³.

Рис. Схемы барботажно-пенных пылеуловителей.

30. Скруббер Вентури (рис.) - мокрый инерционный очиститель газов от пылей – состоит из сопла Вентури 2 и цилиндрического каплеуловителя 3 (приведите эскизы трубы Вентури и каплеуловителя). Вначале в трубе Вентури происходит осаждение мелких частиц пыли на специально введенных в поток более крупных каплях распыленной форсункой 1 воды. Далее в цилиндрическом каплеуловителе газ освобождается и от крупных капель воды и от осевших на них мелких частиц пыли за счет силы инерции.

В чем отличие осаждения мелких частиц пыли (время релаксации _ч) на крупных каплях воды (время релаксации _к) в сужающейся и в расширяющейся частях трубы Вентури?

Поскольку _ч < _к, то в сужающейся части трубы Вентури (поток запыленного газа ускоряется) частицы пыли будут догонять капли воды и оседать на них, а в расширяющейся (поток замедляется), наоборот, капли воды будут догонять частицы пыли и поглощать их.

Рис. Эскиз скруббера Вентури.

Скрубберы Вентури обеспечивают высокую эффективность очистки газов от аэрозолей со средним размером частиц 1 – 2 мкм при начальной концентрации примесей до 100 г/м³. Удельный расход воды на орошение при этом составляет 0.1 – 6 л/м³.

31. Аэрозольные импакторы (impact – столкновение) – инерционные приборы для отбора проб крупнодисперсных аэрозолей.

В однокаскадном аэрозольном импакторе (см. эскиз ниже) с шириной щели 2h = 0,5 мм и скоростью движения аэрозольного потока u = 100 м/с осаждаются частицы с радиусом r = 10^-6 м и плотностью  = 1000 кг/м³. Сначала вывести формулу для оценки эффективности Э однокаскадного импактора. При выводе формулы считайте поток жидкости в щели потенциальным (стенки не оказывают сопротивления движущейся около них жидкости). Затем с помощью выведенной формулы оцените эффективность импактора для описанного выше случая.

Формула для оценки эффективности имеет вид:

, где Stk - безразмерный критерий подобия Стокса: Stk = l_ч / h,

где l_ч – расстояние, которое аэрозольная частица проходит по инерции в направлении первоначального движения после изменения направления движения газовой струи на 90^о.

Для указанных выше аэрозольных частиц время релаксации  равно 1,3  10^-5 с (определите его). Следовательно

l_ч = u∙ , l_ч = 100 · 1,3 · 10^-5 = 1,3 · 10^-3 м = 1.3 мм, Stk = 1,3 / 0,25 = 5,2.

Следовательно, Э = 1.

На эскизе ниже аэрозольный поток движется сначала в вертикальной плоскопараллельной щели сверху вниз. Внизу поток разделяется на два, текущих с той же скоростью, причем направление потоков изменяется на 90^о. После изменения направления потока воздуха содержащиеся в нем аэрозольные частицы по инерции продолжают некоторое время сохранять первоначальное направление и сталкиваются с установленном на их пути покрытым вазелином стеклышком. Стеклышко с осевшими на нем частицами затем рассматривается под микроскопом.

Диффузия в аэрозолях и ее использование в очистных устройствах

32. В общем виде дифференциальное уравнение диффузии (а оно аналогично уравнению теплопроводности) имеет вид

(1)

где с(х, у, z; t) - концентрация диффундирующих частиц (например, аэрозольных частиц) в точке (х, у, z) в момент времени t,

u(х, у, z) – скорость перемещения газовой или жидкой среды,

D – коэффициент диффузии частиц в среде.

В этом уравнении первое слагаемое справа описывает конвективный поток аэрозольных частиц вместе с жидкостью, второе слагаемое – диффузионный поток относительно жидкости. Для выделения единственного решения к уравнению добавляются граничные (краевые) и начальные условия. Начальное условие

с│_t=0 = с(х, у, z; 0) ‌

задает начальную концентрацию аэрозольных частиц в пространстве.

В качестве краевых условий чаще всего задают условия на границе Г (на поверхности коллектора)

(аэрозольные частицы отражаются от стенки)

и

с│_Г = 0 (частицы поглощаются стенкой)

Такому же уравнению (1) отвечает и функция (x, у, z; x_o, y_о, z_о; t) – плотность вероятности того, что частица за время t сместится из точки (x_o, y_о, z_о) в точку (х, у, z). Например, для одномерного броуновского блуждания вдоль бесконечной оси х в неподвижной среде (u = 0) этому уравнению отвечает функция

Используя эту функцию, можно рассчитать среднее значение квадратов величин смещения броуновской частицы из начального положения х_о за время t при одномерном движении

< (x - x_o)² > =

<( x - x_o)²> = 2 D ∙ t , (2)

< |x - x_o| > = = (3)

где х – координата броуновской частицы к моменту времени t,

(x, x_o; t) – плотность вероятности того, что частица к моменту времени t сместится из точки x_o в точку х.

При трехмерном движении величину х можно рассматривать как проекцию пространственного положения частицы на ось х. При трехмерном движении (если движение частицы по трем осям независимо) выражения для диффузионного смещения частицы по осям y и z записываются аналогично.

При оценке коэффициента диффузии D аэрозольных (гидрозольных) частиц по N экспериментальным данным для х_i при фиксированном t используются выражения

<( x - x_o)²> = 2 D · t, где (х – х_о)² ≈ ( х_i – х_о)²

Здесь х_i –смещение броуновской частицы из точки х_о за время t в i – м эксперименте.

Приведите поясняющий рисунок.

Известный закон Фика I = - D∙gradc является частным случаем решения уравнения (1) при , u = 0. Здесь I - вектор плотности стационарного потока аэрозольных частиц.

33. Коэффициент D тепловой диффузии монодисперсных аэрозольных и гидрозольных частиц в газообразных и жидких средах обычно определяют экспериментально (см. предыдущий вопрос), или оценивают с помощью теоретически полученного выражения

D = k∙ T∙ B,

где k - константа Больцмана (k = R / N_A);

T- температура, K;

В – подвижность частицы в данной среде, с/кг;

N_A – число Авогадро;

R – универсальная газовая постоянная.

Почему это выражение нельзя использовать для оценки коэффициента диффузии молекул газа или жидкости? Потому что в применении к этим частицам теряется смысл понятия «подвижность аэрозольной частицы».

34. Задача. Экспериментальное определение коэффициента молекулярной диффузии аэрозольных частиц. Сосуд с монодисперсным аэрозолем (капельки масла с радиусом 0.1 мкм) разделен на две половинки перегородкой толщиной 0.002 м. С одной стороны от перегородки частичная концентрация аэрозольных частиц равна с₁ = 10¹³ 1/м³. По другую сторону перегородки концентрация равна с₂ = 10¹² 1/м³. В перегородке содержится плоскопараллельная щель, через которую течет стационарный диффузионный поток, направленный от половинки сосуда с большей концентрацией частиц в половинку сосуда с меньшей концентрацией. В эксперименте найдено, что при температуре 20^о за 1 с через щель проходят в среднем 10⁶ частиц в пересчете на площадь 1 м². Иначе говоря, I =10⁶ 1/м²·с – это плотность потока частиц. По этим данным и используя закон Фика, найти коэффициент молекулярной диффузии D сферических аэрозольных частиц с радиусами 0.1 мкм в воздухе при температуре 20^оС.

I = - D , D =

Очевидно, что в любом сечении плоскопараллельной щели плотность потока должна быть одинаковой, поскольку в ином случае в щели будет происходить увеличение или, наоборот, уменьшение концентрации частиц. Поскольку D = const, то производная dc/dx в любой точке щели тоже должна быть постоянной.

1/м⁴

Расчет коэффициента диффузии по формуле D = k∙ T∙ B дает величину 2.2 ∙10^-10 .

35. Задача. Оценка коэффициента вертикальной турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы по известному вертикальному размеру видимого дымового шлейфа.

В условиях атмосферы перенос примесей осуществляется главным образом посредством турбулентного перемешивания (D_т), а не тепловой диффузии (D), причем D_т > D в 10⁴ – 10⁶ раз. Коэффициент турбулентной диффузии конечно зависит от погоды - главным образом от вертикального температурного градиента, от распределения скорости ветра по высоте, от сезона (наличие или отсутствие снежного покрова) и от времени суток. Эти параметры определяют устойчивость приземного слоя воздуха.

Пусть скорость ветра на высоте трубы равна 10 м/с. По направлению ветра величина поперечного сечения видимой части дымового шлейфа вследствие рассеивания увеличивается и на расстоянии 500 м от трубы составляет 50 м. Оцените величину вертикального турбулентного коэффициента диффузии.

Для оценки используем соотношение <( z - z_o)²> = 2 D_т · t,

где z_o – ось дымового шлейфа,

<( z - z_o)²> - среднее значение квадрата отклонения частиц дыма от оси шлейфа в направлении z,

t - время, в течение которого дым распространяется на заданное расстояние от трубы по направлению ветра.

Решение. Время, за которое шлейф дыма распространяется на 500 м, составляет

500 : 10 = 50 с.

<(z - z_o)²> ≈ (50 : 2)² = 625 м². Коэффициент вертикальной турбулентной диффузии

D_т ≈ 625/(2 ∙ 50) = 6.25 м²/с.

36. Средняя длина < l_ч > «свободного» пробега частицы аэрозоля или гидрозоля за счет тепловой диффузии определяется средней длиной касательных к броуновской траектории частицы до пересечения их с ближайшими, перпендикулярными к ним касательными (см. рисунок ниже).

< l_ч > = l_чi

37. Средняя длина < l_ч > «свободного» пробега частицы аэрозоля или гидрозоля за счет тепловой диффузии вычисляется с помощью выражений (аналогия с кинетической теорией газов)

< l_ч > = < v_бр > ∙ , < v_бр > = (8 < v_бр² > / 3)^1/2, m ∙ < v_бр² > / 2 = (3/2) k T

где < v_бр > – средняя скорость броуновского движения частицы,

< v_бр² > – среднее значение квадрата скорости броуновской частицы,

 - время релаксации частицы,

m - масса частицы,

k - константа Больцмана,

Т – температура по шкале Кельвина.

Из этих выражений следует, что средняя длина «свободного» пробега аэрозольной частицы увеличивается при увеличении ее размеров (увеличении m), увеличении плотности материала частицы, уменьшении вязкости среды. Однако, скорость броуновского движения и проходимое по броуновской траектории расстояние увеличиваются при уменьшении размеров аэрозольных частиц и при уменьшении их плотности (и не зависит от вязкости среды).

Аэрозольные рукавные фильтры

38. Наибольшее распространение в цементной промышленности, на ТЭС для сухой очистки газовых выбросов от пыли имеют рукавные фильтры (рис.). В корпусе фильтра 2 устанавливается необходимое количество рукавов (мешков) 1, сшитых из подходящей ткани (хлопок, лен, шерсть, полиэтилен, фторопласт, стеклоткань). Длина рукавов достигает 6 м – 2 этажа!). Во внутреннюю полость рукавов подается запыленный газ через входной патрубок 5. Частицы пыли за счет ситового и других эффектов оседают на ворсе и образуют пылевой слой на внутренней поверхности рукавов. Очищенный воздух выходит из фильтра через патрубок 3. Для регенерации фильтрующей ткани ее встряхивают с помощью устройства 4 с эксцентриком. Домашним миниатюрным аналогом промышленных рукавных фильтров является пылесос с мешком для сбора уловленной пыли.

Однако на предприятиях атомной промышленности используются значительно более эффективные фильтры, снаряженные неткаными тонковолокнистыми фильтрующими материалами ФП или НЕРА (о них ниже).

Рис. Эскиз рукавного фильтра.

Аэрозольные волокнистые фильтрующие материалы и фильтры

39. Нетканные тонковолокнистые волокнистые фильтрующие материалы состоят из переплетенных случайным образом тонких стеклянных, минеральных или полимерных волокон, ориентированных своими осями параллельно плоскости материала (рис. слева). Такие материалы работают не как сито, так как размеры улавливаемых из газа частиц значительно меньше размеров образуемых волокнами пор. На рис. в центре показаны волокна с осевшими на них при фильтрации частицами сажи. На рисунке справа изображено одно волокно с осевшим на нем при фильтрации кристалликами поваренной соли.

Рис. Микрофотографии чистых и загрязненных уловленными частицами тонковолокнистых материалов. Средний диаметр волокон на фотографиях равен 1 мкм.

40. При фильтрации газов через нетканные тонковолокнистые материалы аэрозольные частицы осаждаются на волокнах вследствие:

1) диффузии (смещение с линии тока вследствие броуновского блуждания), 2) касания (h -параметр зацепления), 3) смещения с линии тока вследствие инерции. Кроме того, заряженные волокна притягивают заряженные аэрозольные частицы вследствие электростатического притяжения. Незаряженные частицы также притягиваются к заряженным волокнам вследствие поляризации.

Приведите рисунок, поясняющий эти механизмы осаждения.

Рис. Схема осаждения частиц аэрозоля из потока на волокно. 1 –диффузионное осаждение, 2 – осаждение за счет зацепления, 3 – осаждение за счет инерционного смещения с линии тока.

41. Эффективность улавливания аэрозольных частиц тонковолокнистыми аэрозольными фильтрующими материалами. На рис. изображен график зависимости эффективности фильтрации аэрозолей тонковолокнистыми фильтрующими материалами ФП от размеров r удаляемых из газа частиц при прочих равных условиях. Какова причина минимума на этом графике? Какие имеются ввиду «прочие равные условия»?

Прочие условия - это толщина h фильтрующего материала, диаметр a цилиндрических волокон, пористость фильтрующего материала, линейная скорость u фильтрации.

С помощью волокнистых материалов мелкие частицы лучше улавливаются за счет эффекта диффузии, а крупные – за счет инерции. Для частиц средних размеров оба эффекта ослаблены.

Рис. Эффективности улавливания частиц аэрозоля в зависимости от их размеров.

Изображенный на рисунке минимум кривой зависимости Э от r для значения r = 0.1 мкм экспериментально наблюдается при фильтрации аэрозолей через материал ФП-15 с линейной скоростью 0.01 м/с.

42. Маркировка широко используемого в промышленности, медицине и т.п. отечественного материала ФПП – 15 – 1.5 означает следующее: тонковолокнистый фильтрующий материал (полотно) Петрянова из перхлорвинила, средний диаметр волокон равен 1,5 мкм, стандартное гидродинамическое сопротивление материала при линейной скорости фильтруемого газа 1 см/с равно 1,5 мм водн. ст. Толщина фильтрующего слоя стандартных материалов ФПП составляет h = 0,2 мм, доля объема, занятого волокнами  = 0,02, то есть, пористость материала равна 0.98.

Соответственно маркировка ФПА – 15 – 2,0 означает: фильтрующий тонковолокнистый материал Петрянова из ацетилцеллюлозы со средним диаметром волокон 1.5 мкм и стандартным гидродинамическим сопротивлением 2.0 мм водн. ст. В настоящее время промышленность выпускает большой ассортимент [3]/ фильтрующих материалов ФП/

Справка. Тонковолокнистые полимерные материалы ФП изготавливаются путем электростатического прядения и сразу после изготовления имеют большой электрический заряд (рис.). Этот заряд обусловливает существенную добавку к эффективности фильтрации аэрозолей свежими материалами ФП. При хранении материалов в течение нескольких лет электрический заряд постепенно стекает с волокон, соответственно уменьшается и эффективность фильтрации.

Рис. Схема установки для получения нетканых тонковолокнистых материалов методом электростатического прядения: 1 – источник высокого напряжения, 2 – емкость с раствором полимерного вещества, находящимся под высоким потенциалом, 3 – капилляр, формирующий струю раствора, 4 – заземленный металлический электрод, 5 - стенки камеры, в которой расположено устройство. В зависимости от условий вытягиваемая из емкости струя раствора полимера затем либо распадается на капли, либо после испарения растворителя остается тонкая полимерная нить.

43. Устройство высокоэффективных фильтров типа Д-КЛ, снаряженных тонковолокнистыми материалами ФП, приведено на рис.1.

Рис.1. Обозначения на рисунке слева: 1 – фильтрующий материал, 2 – разделительная рамка клиновидной формы для укладывания фильтрующего материала гармошкой, 3 – корпус фильтра. На фотографии справа фильтр ДК изображен без передней стенки с входным штуцером для ввода очищаемого газа.

Как видно на фотографии и на рисунке, материал в корпусе фильтра укладывается гармошкой. Это дает возможность в небольшом объеме корпуса (максимально 0.3 м³) разместить фильтрующий материал с площадью поверхности до 33 м² (Д-КЛ-33) и тем самым увеличить производительность. Для еще большего увеличения производительности несколько фильтров типа Д-КЛ соединяются параллельно, как это показано на рис.2.

Рис. 2.Схема периодически действующей установки пакета фильтров, соединенных параллельно, для улавливания радиоактивных аэрозолей на радиационно-опасном предприятии. 1 - подъемный кран; 2 - съемные плиты; 3 – один из фильтров в пакете; 4 - прижим фильтра; 5 - запорная задвижка на воздуховоде. Фильтры размещают ниже уровня пола. Защитой персоналу от облучения служит слой бетона. Лимитирующим фактором для смены фильтров является накопление на фильтрующей ткани заданного уровня радиоактивности, при которой еще возможно обеспечить защиту обслуживающего фильтрующую установку персонала от переоблучения.

На реакторах и радиохимических заводах кроме аэрозольных фильтров последовательно устанавливают также и адсорберы с активированным углем для поглощения радиоактивных газов, в том числе ¹³¹I.

44. Приведите эскиз аэрозольного фильтра Д-23кл. Каким образом достигается большая поверхность фильтрации в небольшом объеме фильтра? Зачем нужно увеличивать поверхность фильтрации? Как известно, фильтрующие материалы ФП имеют высокую эффективность очистки газов от аэрозолей, но малую пылеемкость 50 – 100 г/м². Как на практике увеличивают время действия фильтров с материалами ФП? См.п.43.

45. Чем зарубежные фильтрующие материалы НЕРА отличаются от ФП?

В последнее время главным компонентом вентиляционных систем предприятий атомной промышленности (см. рис.2 к вопр. 43) вместо фильтров ФП становятся высокоэффективные аэрозольные НЕРА-фильтры, снаряженные зарубежным фильтрующим материалом НЕРА (High Efficiency Particulate Air Filter). Для увеличения срока службы НЕРА - фильтров перед ними устанавливают менее дорогие фильтры предварительной грубой очистки, снижающие концентрацию грубодисперсной пыли. При одинаковой эффективности материалы НЕРА дороже материалов ФП, так как могут работать при более высоких температурах фильтруемого газа. Из материала НЕРА изготавливаются также мешки для пыли в домашних пылесосах.

46. Аэрозольные фильтрующие материалы и фильтры. Маркировка широко используемого для определения концентрации пыли в воздухе фильтра АФА-ВП-20 (рис.) означает следующее: аэрозольный фильтр аналитический для весового анализа из перхлорвинила (фильтрующий материал ФПП) с рабочей поверхностью 20 см². Как известно, волокна из перхлорвинила гидрофобны, т.е. их масса слабо изменяется при изменении относительной влажности воздуха, что является важным условием при весовом анализе (см. лаб. работу 1 по курсу ТЗОС).

Рис. На рисунке изображены аналитические фильтры АФА-ВП-20, помещенные в охранные бумажные кольца для защиты от случайных загрязнений. Слева в верху рисунка изображены аллонжи (фильтродержатели) для отбора проб из воздуховодов и из свободной атмосферы. Справа вверху изображены упаковка фильтров.

47. Аэрозольные фильтрующие тонковолокнистые материалы и фильтры. Коэффициент К проскока монодисперсных аэрозольных частиц через нетканные тонковолокнистые материалы оцеивается по формуле

К = ехр (-2 ∙ ∙ h / ∙ a), (1)

где а – радиус волокон,

h – толщина фильтрующего материала,

 - плотность упаковки (доля объема материала, занятая волокнами),

 - коэффициент захвата частиц волокном (это отношение реального потока I частиц на волокно единичной длины к потоку частиц в невозмущенном газе через воображаемую поверхность с площадью 2а ∙1, перпендикулярную к направлению потока газа:= I/(2a∙u∙c) ).

Из формулы (1) следует, что проскок частиц через фильтрующий материал уменьшается при уменьшении радиуса а волокон при прочих равных уловиях.

48. Задача. Пусть К = 10^-3,  = 0.02, h = 0.2 мм, a = 1 мкм (это стандартные параметры разряженных материалов ФП). Пусть также c = 10⁸ 1/м³, u = 0.01 м/c. Чему равен поток I аэрозольных частиц на волокно единичной длины (l = 1 м) в данном фильтре при данных условиях фильтрации? Используя выражение К = ехр (-2   h /  a), получим:

 = - (· a · lnК) /(2 · · h) = - (3.14 · 10^-6 · ln10^-3) / (2 · 0.02 · 2 · 10^-4) = 2.7

= I / (2 · a · u · c)

I = 2 · a[м] · l[м] · u[м/с] · С[1/м³] · = 2 · 10^-6 · 1 · 0.01 · 10⁸ · 2.7 = 5.4 1/(м∙с)

А какова длина l волокон в 1 м² материала?

1 м² ·2· 10^-4 м· 0.02 = 3.14 · (10^-6)²· l , l = 1.3 · 10⁶ м.

49. Аэрозольные фильтры и фильтрующие материалы. На АЭС для очистки газовых сдувок из технологических емкостей используются фильтры ФАРТОС. Расшифруйте аббревиатуру «ФАРТОС». В чем особенность газовых сдувок в отличие, например, от выбросов общеобменной вентиляции? В чем отличие режима работы фильтров ФАРТОС от режима работы обычных тонковолокнистых фильтров? Приведите эскиз фильтра ФАРТОС (рис.).

Рис. Эскиз(слева) и фотография (справа) фильтра ФАРТОС: 1- распределительное устройство для подачи регенерирующего раствора азотной кислоты, 2 - ввод в фильтр очищаемого газа. 3 – подвод регенерирующего раствора, 4 - крышка (верхняя обечайка) фильтра, 5 – выход очищенного газа, 6 – цилиндрический корпус фильтра, 7 - стекловолокнистый фильтрующий материал, 8- перфорированный цилиндр; 9 – штуцер для слива уловленной жидкости.

ФАРТОС – фильтр аэрозольный, регенерируемый, тонкой очистки, стекловолокнистый.

Газовые сдувки – парогазовая смесь, возникающая при проветривании чистым воздухом закрытых баков, частично заполненных горячими радиоактивными растворами. Газовые сдувки имеют небольшой объемный расход (до 100 м³/ч), температуру до 100^оС, относительную влажность до 100%, большую объемную радиоактивность. В газовой сдувке содержатся в основном жидкие аэрозольные частицы, например, туманы кислот или щелочей.

Осевшие на волокнах в фильтрах ФАРТОС жидкие аэрозольные частицы под действием силы поверхностного натяжения стягиваются друг к другу, укрупняются и скатываются по волокнам вниз в сборник жидкости, обеспечивая таким образом непрерывную регенерацию. Ясно, что фильтрующий материал в фильтре ФАРТОС ориентирован перпендикулярно к поверхности земли (по направлению силы тяжести). В качестве аналогии можно привести висящий на бельевой веревке мокрый шерстяной свитер (постирав, бережная хозяйка перед сушкой его не выжимает!), с которого стекает вниз на землю избыток жидкости, не удерживаемой силами сцепления с поверхностью волокон.

Очистка газов от пыли в электрофильтрах

50. Электрические заряды на аэрозольных частицах возникают

1) вследствие диффузионного осаждения газовых ионов и электронов на поверхности аэрозольных частиц из биполярно заряженной атмосферы (в атмосферном воздухе содержатся положительно и отрицательно заряженные ионы, возникающие, главным образом, вследствие ионизирующего излучения содержащихся в средах радиоактивных атомов и вследствие космического излучения);

2) в результате направленного потока ионов и электронов на аэрозольную частицу во внешнем электрическом поле (в том числе в поле коронного разряда);

3) при распаде радиоактивных атомов, содержащихся в самой аэрозольной частице.

51. В электрофильтрах (рис.) аэрозольные частицы сначала приобретают большие униполярные (одного знака) электрические заряды в коронном разряде зарядной секции, а затем осаждаются на электродах в осадительной секции под действием электрического поля.

Приведите эскиз электрофильтра и схему коронного разряда.

Коронный разряд – стационарный электрический разряд в газе, когда напряженность электрического поля между электродами (один из электродов или острие, или тонкий провод) резко уменьшается в направлении от острия к плоскому электроду. Проявляется в виде голубоватого свечения ионизированного газа около острия или тонкого провода. Коронный разряд на проводах ЛЭП сверхвысокого напряжения вызывает потери электроэнергии на корону и создает радиопомехи.

В некоторых моделях электрофильтров электрическая зарядка и осаждение а.ч. происходит одновременно в одной и той же секции.

Рис. На рисунке слева изображен промышленный электофильтр, который может очищать в час от пыли сотни тысяч кубометров топочных газов ТЭС, работающих на угле или торфе. Справа изображен лабораторный электрофильтр: внутри стеклянной трубки содержатся два электрода – покрытая фольгой внутренняя поверхность стеклянного цилиндра и висящая на его оси тонкая металлическая проволока с оттягивающим ее грузом на нижнем конце. Электроды присоединены к источнику высокого напряжения. Запыленный воздух продувается снизу вверх.

52. Предельный электрический заряд q_пред, приобретаемый аэрозольными частицами в коронном разряде, зависит от их размеров. Чем больше размер а.ч., тем больше приобретаемый ею заряд. Следовательно, эффективность улавливания пыли электрофильтрами уменьшается с уменьшением размеров частиц из-за уменьшения электрического заряда, приобретаемого мелкими частицами в коронном разряде. На рис. 52.1 ниже показана зависимость эффективности улавливания аэрозольных частиц в электрофильтре от их размера. Напомним, что скорость движения заряженной аэрозольной частицы в электрическом поле v_эл = q_пред · E· B.

Рис.52.1. Зависимость эффективности электрофильтра от размара улавливаемых частиц пыли.

53. Очистка газов от пыли в электрофильтрах. Очистка газов от проводящей пыли (удельное электрическое сопротивление слоя пыли <10² Ом  м) с помощью электрофильтров затруднена из-за быстрой перезарядки частиц пыли, осевшей на осадительных электродах, с последующим отражением частиц обратно в газовый поток под действием электростатического отталкивания (рис.53.1).

Электрод Газ

Рис.53.1. Схема перезарядки осевших на электрод проводящих частиц.

54. Эффективность электрофильтров оценивают с помощью выражения

Э = 1 – ехр (-v_эл ∙ S_осадит / G ), v_эл = В∙ q∙ E

где v_эл – составляющая скорости движения заряженной аэрозольной частицы в электрическом поле к осадительному электроду, м/с;

S_осадит – суммарная площадь осадительных электродов в электрофильтре, м²,

G – объемный расход очищаемого газа через электрофильтр, м³/с.

Формула выведена в предположении о турбулентном течении газа в межэлектродном пространстве.

Обобщение по теме очистка газов от пыли

55. В осадительных камерах из газа удаляются частицы с размерами d > 50 мкм, в циклонах – с d > 10 мкм, в рукавных фильтрах с фильтрующим тканным материалом из грубой ткани – с d > 3 мкм, в электрофильтрах – с d > 0,1 мкм. С помощью нетканных тонковолокнистых фильтров (диаметр волокон < 1 мкм ) из газа удаляются аэрозольные частицы любых размеров.

Эффективность улавливания твердых частиц с заданным интервалом размеров из газовых потоков разными типами газоочистителей приведена в таблице.

Тип пылеочистителя	Эффективность улавливания частиц с заданным интервалом размеров, мкм
	0 - 5	5 - 10	10 - 20	20 - 44	> 44
Циклон	0.12	0.33	0.57	0.62	0.91
Электрофильтр	0.72	0.94	0.97	0.99	1
Полый скруббер, орошаемый водой	0.8	0.96	0.98	1	1
Скруббер Вентури	0.99	0.995	1	1	1
Рукавный фильтр	0.995	1	1	1	1

Примечание. В этой таблице не указана плотность частиц.