Особенности процесса регенерации фильтровальных перегородок

В процессе эксплуатации фильтра его гидравлическое сопротивление непрерывно возрастает, а газопроницаемость фильтровального материала уменьшается по мере осаждения улавливаемой дисперсной фазы на фильтровальном элементе (рисунок 1), и для поддержания пропускной способности фильтра в заданных пределах фильтровальный элемент необходимо периодически менять или регенерировать. Таким образом, регенерация – это процесс удаления части пылевого слоя с целью полного или частичного восстановления первоначальных свойств фильтровальной перегородки [1, 2].

Рисунок 1. Фотография слоя пылевого осадка на поверхности фильтровальной перегородки

Независимо от способа регенерации процесс отделения пыли от фильтровальной перегородки можно разделить на три периода. В первом периоде, когда только начинают действовать факторы, способствующие отделению пыли, в слое появляются микротрещины и начинают нарушаться аутогезионные связи; внешне первый период проявляется в незначительном падении гидравлического сопротивления фильтровальной перегородки. Во втором периоде, когда увеличивается энергия обратной продувки или другие отделяющие факторы, полностью нарушаются аутогезионные связи, пыль отделяется от фильтровальной перегородки, и гидравлическое сопротивление резко снижается.

В третьем периоде, несмотря на увеличение энергии отделяющих факторов, заметного снижения гидравлического сопротивления не происходит, идет нарушение адгезионных связей частиц пыли с фильтровальной перегородкой. В связи с тем, что адгезионные связи значительно сильнее аутогезионных, заметного отделения пыли и снижения гидравлического сопротивления не происходит.

Для обеспечения высокой степени очистки адгезионные связи пыли с фильтровальным материалом не должны нарушаться. При интенсивной регенерации могут иметь место значительные проскоки пыли в первый период процесса фильтрования из-за некоторого снижения пылеотделяющих свойств фильтровальной перегородки. В дальнейшем разница в проскоке пыли уменьшается. Поэтому необходимо удалить столько пыли, чтобы максимально снизить гидравлическое сопротивление фильтра, оставив на приемлемом уровне его пылеулавливающие способности.

Основные закономерности процесса регенерации фильтровального материала рассмотрены на примере пылевого слоя, находящегося на вертикальной поверхности пористой перегородки (рисунок 2).

G i -вес пылевого слоя, F h , F т - нормальная и тангенциальная составляющая адгезионных сил, F _m - сила, возникающая в процессе регенерации, F a p - сила перепад давления на перегородке

Рисунок 2. Схема действия сил на пылевой слой в процессе регенерации

Вес частиц пыли, отрываемых с единицы поверхности фильтровального Gi (Н/м2) и сила, созданная в процессе регенерации Fm (Н/м2), стремятся оторвать элемент пыли от фильтро- вального материала, а сила адгезии в виде нор мальной Fh (Н/м2) и тангенциальной Ft (Н/м2)

составляющих, а также сила давления поступающего газового потока Fap (Н/м2), удерживают частицы пыли на поверхности перегородки.

При этом сила давления поступающего газового возрастает по мере запыления фильтровальной поверхности.

В данном случае условие отрыва пыли от фильтровальной поверхности имеет зависимость:

еos ф [(gG)² +Fj] >  F t ² +(F h + F a p )² ,   (1)

где ф- угол наклона векторов F2 и Fi; в режиме равновесия cos ф = 1

Разделив левую и правую части неравенства (1) на величину (gG) ², характеризующую общий вес пыли на пористой перегородке перед ее регенерацией ( G = G i +G o ,, где G i - вес удаляемой при регенерации пыли; G o - остаточный вес пыли), после преобразования получим:

П <

g

F ²

to

G ²

F T + ( F h + F a p ) 2

где n = — - показатель, характеризующий эффективность регенерации.

Очевидно, что величина 0 <ц < 1. Значение n = 0 соответствует состоянию, когда вся пыль при регенерации удерживается на поверхности фильтровального материала, а значение n = 1 соответствует состоянию, когда вся пыль при регенерации удаляется с поверхности фильтровального материала.

Если на фильтровальную перегородку не действует сила давления набегающего потока, т.е. регенерация осуществляется после отключения газового потока, то неравенство (2) приобретает вид:

Г F 2 - F 1²

П < — ^g

0.5

G ²

где F = F² + F H² .

Зависимость (3) показывает неосуществимость регенерации при F^F t , и, следовательно, условие эффективной регенерации при отключенном газовой нагрузки имеет вид:

F _to >F i ,                       (4)

При наличии газовой нагрузки условие регенерации записывается в виде:

F , ^ F" , ² + ( F h + F a p У Г    .   (5)

Значительное влияние на условия регенерации оказывает одновременное влияние факто- ров, характеризующих проведение процесса.

Величины, составляющие условие (5), имеют функциональные зависимости (6)-(8).

Сила давления поступающего газового потока, вызванная перепадом давления Л Р на фильтровальной перегородке перед регенерацией:

F лp = f ( d э , d m , D, H пс , Н фп , П ф , Z h , .                     .    (6)

Ц, Рч, р,О,Тф, £пс, £фп )

Сила регенерации, например, применительно к пневмоимпульсному способу очистки:

FL = f(dc , DK, lc ,®c ,®ф, Lф, Тимп, Ц, Р, g) . (7)

Сила сцепления с поверхностью, обусловленная адгезионно-аутогезионными свойствами пыли:

П рег = (1- А Р к / А Р н )100 %, (9) где А р к - перепад давления на фильтре в конце цикла регенерации, Па; А р н - перепад давления на фильтре перед регенерацией, Па.

Пользуясь анализом размерностей, заменим функцию (3) с учетом (9) зависимостью между критериями подобия. В данном случае число переменных n =10, число их единиц измерения (длины, массы и времени) m =3. Тогда, согласно п -теореме, число безразмерных комплексов, описывающих процесс, должно быть равно ( n-m )=7 [3].

В соответствии с п -теоремой, проведя необходимые преобразования, искомая функ-

F1 = f (Ha, KE , dm ^, D ,Юф , Ц, Рч , Р,

.                                       ,  (8)

Ф, ^пс, ^фп )

ция представлена в виде соотношения между семью безразмерными комплексами величин, в

где d э - диаметр элементов фильтровальной перегородки (зерен, волокон); d_m - средний медианный диаметр частиц пыли; D - коэффициент диффузии; Н пс - толщина слоя пылевого осадка; Н фп - толщина фильтровальной перегородки;

данном случае - критериями гомохронности, Фруда, Рейнольдса и пятью симплексами геометрического и гидродинамического подобия,

т.е. выражение можно представить в виде:

Г , = а • Но • Fr ^— z • Re y • Г ₂ c • Г 3 • Г ₄ r • Г ₅ ^k ₍₁₀₎

Число Ho, Fr, Re выражается следую-

Z h - начальная концентрация пыли; Ю ф - скорость фильтрования; и -коэффициент динамической

вязкости; р ч , р г - плотность соответственно пыли и газа; σ - среднее квадратичное отклонение логарифма диаметров частиц; т ф - время фильтрования; Е пс - порозность слоя пылевого осадка; е фп - порозность фильтровальной перегородки; d e - диаметр продувочного сопла; D k - диаметр камеры смешения эжектора; l c - расстояние от продувочного сопла до верхнего среза фильтро-

щими соотношениями:

Но _ toc' Тимп  Fr = toc    Re = dc'Р •toc dc          dc • gЦ

,                                  ,,

Г 1 А Г 2 = D_l Г 3 = l. Г 4 = L p Г 5

Лp„ .       dc .       dc .       dc -to н              cc               cc

;                        ;                      ;;

- симплексы аэродинамического и геометрического подобия.

вального рукава; to e - скорость продувочного газа в сопле; Ю ф - скорость фильтрования; L ф - длина фильтровального элемента; Т имп -продолжительность регенерирующего импульса; Ha - константа Хамакера (для выражения сил Ван-дер Ваальса), К е - параметр электростатических сил, ф - относительная влажность воздуха.

Процесс регенерации достаточно сложен, число различных факторов достаточно значительно, а степень их влияния на функцию отклика различна. Трудно найти такое сочетание влияющих факторов, при котором одновременно достигаются экстремумы всех функций отклика. Поэтому процесс регенерации оптимизируют при ограничении числа факторов и критериев оптимальности с целью выделения и идентификации доминирующих. Поэтому целесообразно использовать метод планирования экспериментов.

Эффективность регенерации, оцениваемую по снижению аэродинамического сопротивления фильтровального материала, определяли из соотношения:

Скорость продувочного газа в сопле ( to e ) можно найти из формулы:

^=Q^, c     fc

где Q e - расход продувочного газа через сопло, м³/с; f c - площадь сечения продувочного сопла.

Расход продувочного газа через сопло, с

допущением о постоянном значении плотности газа в период регенерации [4]:

Q = Ц

S— c    ^Ц отв

• f c

p 'к

1/ К

K -1

pТ

• Р^{— 1} •

2 K

K — 1 g • ^PT •^Р

—

p k

pТ

K

^{где Ц} отв коэффициент расхода сжатого воздуха через отверстия; К - показатель адиабаты

продувочного газа; р т - полное давление сжатого воздуха в продувочной трубе, Па; р к ' - полное давление в камере очищенного газа, Па.

Параметры, входящие в зависимость (10), изменялись в следующих пределах: перепад давления на фильтре к концу цикла регенерации А р к =520 ^ 1150 Па, диаметр продувочного сопла d e =0,008^0,012 м, расстояние от продувочного

сопла до верхнего среза фильтровального рукава l c 0.005 ^ 0.025 м, диаметр камеры смешения эжектора D k =0,025^0,07 м, полное давление сжатого воздуха в продувочной трубе р т =0,2^0,4 МПа. Соответственно Fr, Re, Ho, Г 1, Г 2 , Г 3 , Г 4 и Г 5 принимали значения Fr=(4,66÷9,46)10⁶; Re=(3,86÷6,74) 10⁵; Ho=(1,85÷3,2) 10⁵; Г 1 =0,26÷0,58; Г 2 =2,08÷8,75; Г 3 =0,417÷3,125; Г 4 =83,3÷125 и Г 5 =(3,83÷4,453)10^-5.

Обработка экспериментальных данных

вальной перегородки и уплотнения быстрорас-

тущего пылевого осадка.

Сделанные выводы соответствуют существующим представлениям о закономерностях механики аэрозолей.

Полученная модель была использована для оценки и прогнозирования эффективности пневмоимпульсной системы регенерации рукавных фильтров на ряде предприятий по производству строительных материалов Воронежской области.

позволила получить уравнение регрессии для

выполнения конкретных расчетов:

П _рег = 1 - exp ( - 3,25 Re^0. 4 Ho -°^{0 5} Fr^0.18

Г 2

- 0.06

T

Г ₃

0.02    0.07

Г ₄   Г ₅

0.54

, (13)

Из уравнения (13) следует, что Г 1 возрастает с увеличением Re , Fr , Г 3 , Г 4 , Г 5 и убывает с увеличением Но , и Г 2 , что соответствует суще-

ствующим представлениям о закономерностях процесса.

Относительное отклонение рассчитанных по формуле (13) и экспериментальных данных для различных диапазонов изменения исследуемых параметров составляет 1,5-22 %, что можно признать удовлетворительным. Примеры поверхностей отклика модели от парного взаимодействия входных параметров приведены на рисунках 3 и 4 [5].

Анализ полученных поверхностей отклика показывает, что доминирующее влияние на эффективность регенерации оказывает давление импульса P Т . Поверхность отклика имеет сложный профиль с локальными максимумами и минимумами, что свидетельствует о наличии оптимальных соотношений взаимозависимых параметров d с , l с , D k .

При регенерации в условиях неотключа-емой газовой нагрузки в изменении сопротивления фильтра заметную роль играет скорость фильтрования. Это происходит в результате повышения сопротивления самой фильтро-

20000 10

Рисунок 3. Зависимость П рег =f(P i , l, d c ) при d c =8 мм

20000 10

Рисунок 4. Зависимость П рег =f(P r , l, d c ) при d c =10 мм