автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка и исследование структур текстильных фильтров, применяемых при очистке воздуха и газов

СУХОТЕРИН ЛЕОНИД ЯНКОВИЧ

«Разработка и исследование структур текстильных фильтров, применяемых при очистке воздуха и газов»

Специальность 05.19.02 — Технология и первичная обработка текстильных

материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва, 2013

005542102

005542102

СУХОТЕРИН ЛЕОНИД ЯНКОВИЧ

«Разработка и исследование структур текстильных фильтров, применяемых при очистке воздуха и газов»

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных

материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2013

Работа выполнена на кафедре технология и проектирования Димитровградского инженерно - технологического института - филиала Федерального Государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный

исследовательский ядерный университет «МИФИ».

Доктор технических наук, профессор Панин Иван Николаевич Доктор технических наук, профессор кафедры технологии трикотажного производства ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии Заваруев Владимир Андреевич

Кандидат технических наук, исполнительный директор ОАО «ЦНИИМашдеталь» Лабок Владимир Георгиевич

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Ивановский

государственный политехнический университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Защита состоится » ' _2013 г. в «_» часов на

заседании диссертационного совета Д212.144.06 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования. «Московский государственный университет дизайна и технологии»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «ФГБОУ ВПО МГУДТ»

2<г /V

Автореферат разослан «_»_2013

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.144.06 ^/¿у^^/^ проф. Шустов Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Развитие промышленного производства в России, а также образование крупных мегаполисов сопровождается не только скоплением людей в отдельных регионах, но и в отдельных социально-значимых объектах, таких как метрополитены, ж/д и автовокзалы, аэропорты, супермаркеты, больницы, школы и т.д. данные объекты должны обязательно оснащаться надёжными системами подготовки и очистки воздуха от пыли, с доведением качественных показателей его до нормативов САНПИН.

Промышленные предприятия наиболее интенсивно развивающихся отраслей, таких как угольная, строительная, цементная, нефтегазовая, фармацевтическая и многие другие, транспортная, также связаны с процессами воздухо- и газоочистки.

В связи с этим возникает необходимость применения различного воздухо- и газоочистительного оборудования для сохранения экологической безопасности людей. Основными элементами данного оборудования являются текстильные фильтры выпускаемые на базе тканей, нетканых полотен, намоток и несмотря на то, что современные фильтровальные материалы имеют очень высокую эффективность, работы по созданию новых, более совершенных структур фильтровальных текстильных перегородок продолжаются и являются актуальными.

Цель исследования.

Целью исследования данной диссертационной работы является разработка и исследование структур текстильных фильтров, применяемых при очистке воздуха и газов, как на промышленных предприятиях, так и на социально значимых объектах.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- на основе последних достижений текстильной науки разработана теория процесса формирования фильтровальных перегородок из текстильных материалов исключающих явление «пробой» фильтра;

разработана структура слоисто-каркасных фильтровальных перегородок формируемых однопроцессным способом из нитей различной природы на базе мотальных паковок и тканей;

- разработана производственная модель мотального оборудования, позволяющая выпускать фильтровальные перегородки на базе мотальных паковок заданной структуры и требуемых типоразмеров;

- создан испытательный стенд для изучения свойств и структур фильтровальных перегородок выпускаемых на базе текстильных материалов;

разработана методика расчёта пористости и воздухо-газопроницаемости фильтровальных перегородок состоящих из тканей, нетканых материалов, намоток различной структуры и их совместных структур;

- проведен комплексный расчёт экономической эффективности внедрения в производство воздухоочистительных модулей, формируемых на базе разработанных структур текстильных фильтров.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

разработаны и внедрены в реальное производство воздухоочистительные модули, формируемые на базе текстильных материалов;

разработано технологическое оборудование позволяющее формировать текстильные фильтры на базе мотальных паковок заданной структуры и типоразмеров;

разработан испытательный стенд для изучения различных фильтровальных материалов;

- разработаны структуры текстильных фильтровальных перегородок исключающих явление «пробой фильтра», получено «ноу-хау» на данные структуры;

- получен патент на полезную модель № 119635от « 07.12.2011 г.-«Патронный фильтр-разделительный».

Апробация и реализация результатов работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедр «Технологии и проектирование» Димитровградского инженерно-технологического института, филиала НИЯУ МИФИ в г. Димитровграде и кафедре «ткачество» Московского государственного университета дизайна и технологии. На научной сессии НИЯУ МИФИ - 2013 г. г.Москва.

Реализация работы

Разработанная на основе проведённых исследований технология очистки воздуха от пыли с помощью модульных фильтровальных установок, включающих мотальные паковки и фильтровальные ткани, внедрена в производство биологической очистки сточных вод МУЛ ВКХ «Димитровградводоканал».

Публикации

Основное содержание и результаты работы отражены в 10 работах, из них 1 патент, «ноу-хау», 6 статей, из них 2 опубликованы в журналах рекомендованных ВАК, в 3 тезисах докладов научно-технических конференций.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста и состоит из четырёх глав, общих выводов и выводов по каждой главе, списка использованной литературы, включающей 61 наименование источников, включает 12 таблиц и 31 иллюстрацию. В 5 приложениях представлены акты промышленных испытаний и результаты технико-экономических расчётов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи проводимых исследования. Даны чёткие характеристики научной новизны и практической значимости диссертационной работы, намечены пути реализации поставленных задач.

В первой главе проведён анализ применяемых в настоящее время в производстве и на объектах социального значения имеющихся фильтровальных систем, где используются текстильные материалы. Проведены исследования пыли и её состав, а также указаны основные нормативные требования, предъявляемые к текстильным фильтровальным перегородкам в воздухо- и газоочистительных системах. Отмечено, что в теорию создания текстильных фильтровальных перегородок внесли большой вклад русские учёные текстильщики, к которым следует отнести профессоров А.П.Минакова, А.А.Гордеева, С.Д.Николаева, В.П.Щербакова, С.С.Юхина, Н.Г.Цитовича и других учёных МГТУ им. А.Н.Косыгина, разработавших ткани, нетканые материалы, трикотажные полотна с заданными свойствами. В данной главе приведена классификация текстильных фильтров очистки воздуха и газов, а также приведены методы очистки воздуха от органических загрязнений. Отмечена необходимость комплексного изучения процессов очистки воздуха и газов с исследованием влияния на процесс структуры и слой текстильных материалов, а также структуры пылевого осадка.

Вторая глава диссертации содержит теоретические и экспериментальные исследования различных структур текстильных фильтровальных перегородок применяемых при очистки воздуха и газов.

Характер аэродинамического воздействия потока воздуха или газа на структуру текстильных перегородок определяется многими факторами, к которым следует отнести:

- форму и количество текстильных волокон на пути потока;

- пористость структуры текстильного полотна;

- скорость потока, его дискретность;

- состав пыли (её концентрация) и её структура.

Обтекание волокон потоком воздуха (газа) сопровождается силовым воздействием в нормальном и касательном направлениях. Все силы взаимодействия на волокна и нити делятся на две результирующие составляющие, это сила сопротивления

„ г г Р-дг

где и - соответственно безразмерные коэффициенты лобового (мидалева) сопротивления и сопротивления трения;

Б - площадь мидалева сечения всех волокон и нитей на пути потока;

—скорость воздушного потока.

Обтекание волокон и нитей воздушным потоком при различных скоростях может изменять свой характер от ламинарного (при малых скоростях) до турбулентного (при высоких скоростях потока воздуха).

Учитывая сложность и многофакторность процесса взаимодействия воздушно-пылевого потока с фильтровальными перегородками различных структур требуют комплексного исследования процесса на специализированном стенде. Схема испытательного стенда представлена на рис.1.

Рис.1 Схема стенда исследования текстильных фильтров.

Фильтр- 1; пыленагнетатель- 2; эжектор- 3; нефелометр -4; воздуховод-5; реометр -6; манометр- 7; регулировочный кран- 8; компрессор- 9.

На экспериментальном стенде исследовались фильтровальные свойства текстильных перегородок четырёх видов: ткани различных структур, нетканых материалов; намоток.

В ходе экспериментальных исследований были получены зависимости гидравлического сопротивления пыли и оптической плотности осадка формируемого на фильтровальных перегородках различных структур, показанные на рис. 2 а и 2 б.

Рис. 2. График зависимости Оп=/(И) и ДР=/(р)

1 и Г — для фильтра формированного сомкнутой намоткой;

2 и 2' — для нетканого полотна (иглопробивного);

3 и 3' — для ткани саржевого переплетения;

4 и 4' - для ткани полотняного переплетения.

Анализ полученных результатов показывает, что во всех случаях процесс фильтрации имеет три фазы формирования осадка:

- первая фаза - формирование пылевого слоя осадка на поверхности фильтровальной перегородки;

- вторая фаза - процесс стабильной фильтрации воздуха или газа через пылевой слой и структуру текстильной фильтровальной перегородки и чем плотнее структура, тем эффективнее процесс фильтрации (и меньше «проскок» микрочастиц пыли через фильтровальную перегородку);

- третья фаза — нарастание гидравлического сопротивления фильтровальной перегородки из-за заполнения и уплотнения пылевого слоя осадка.

В соответствии с теорией фильтрации гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки может быть определено по формуле:

АР = 1'4(Л'ф.„. - (2.)

где Кф - скорость потока, м/с;

-/?фп - гидравлическое сопротивление фильтровального материала (текстильного полотна) кг-с/м2;

Дел - гидравлическое сопротивление пылевого слоя кг-с/м2; (Л - вязкость воздушной смеси, кг.с-с-м"2.

В результате проведённого анализа можно сделать выводы в том, что решающее влияние на процесс фильтрации оказывает структура текстильной фильтровальной перегородки, а именно её пористость, воздухопроницаемость, вид и структура волокон, глубина и форма пор и т.д.

Исследование различных структур текстильных полотен на качество очистки воздуха и газов от пыли позволили определить оптимальные структуры фильтровальных перегородок, обеспечивающих заданную производительность фильтра:

кф'Н м

(3)

где: кА - коэффициент фильтрации, —; * с

, Я

I =--напорный градиент или гидравлическии уклон;

Н -напор, теряемый на длине Ь пути фильтрации, м; ¿-путь фильтрации, м. В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований фильтров сформированных на базе текстильных материалов для очистки воздуха и газов от пыли. В ходе экспериментальных

исследований проведён глубокий анализ сомкнутых намоток мотальных паковок, который позволил определить условия взаимодействия отдельных нитей в слоях намотки и, следовательно рассчитать не только размеры пор в слое и их изменение с ростом диаметра намотки паковок, но и длину «плеча» - расстояния между точками пересечения витков намотки в одном слое. Это особенно важно для определения прочностных характеристик структуры фильтровальных перегородок, устойчивость их к «пробою» и сроку службы до регенерации.

На основе проведённых экспериментальных исследований созданы модульные фильтровальные установки включающие рукавные текстильные фильтры формируемые на базе намоток и тканей. Схема комплексного фильтра на рис.3.

1 - фильтр (ТТФ);

2 - коллектор;

3 - муфта нижняя;

4 - резиновое кольцо;

5 - заглушка; 6 — муфта верхняя;

7 — каркас;

8 - тканый фильтр;

9 - завязка.

Для формирования картриджей заданных типоразмеров разработан мотальный механизм, обеспечивающий создание требуемой структуры намотки нитевидного материала на перфорированный каркас, а также определены параметры натяжения наматываемых нитей, влияющих на плотность, а следовательно воздухопроницаемость фильтровальных перегородок.

В четвёртой главе приведён расчёт экономической эффективности от использования воздухоочистительных модулей в системах подготовки воздуха при биологической очистке стоков в условиях МУЛ ВКХ «Димитровградводоканал». Исследования и расчёты показали, что работа воздуходувок и всех аэрационных систем напрямую зависят от качества очистки воздуха от пыли. Внедрение новых модульных воздухоочистителей, разработанных в ходе выполнения диссертационной работы, позволяет получить суммарный годовой эффект в объёме более 2 197 400 рублей. Кроме того, резко улучшилось качество очистки сточных вод и соответствие их СНИП по ПДК.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Очистка воздуха в социально-значимых объектах являются важной и актуальной задачей требующей решения с использованием новейших текстильных материалов и технологий.

2. Основным, загрязняющим воздух элементом, является пыль различной природы, удаление которой осуществляется различными методами и способами, однако все они требуют совершенствования и

доработки с использованием более эффектных текстильных фильтровальных материалов и технологий.

3. Все существующие методы очистки воздуха от органических загрязнений с использованием жидких и твёрдых сорбентов дорогостоящи и энергозатратны, кроме того они требуют дополнительных работ по утилизации отходов, поэтому создание простых по конструкции и дешёвых текстильных фильтров является актуальной задачей.

4. Основные направления совершенствования текстильных фильтров для воздуха связаны с разработкой новых структур фильтровальных перегородок, выбором фильтровальных материалов и созданием комплексных текстильных фильтров по очистке и обеззараживанию воздуха с доведением его до нормативных показателей по САНПИН.

5 . Лобовое сопротивление прохождению газового потока через текстильную структуру оценивается суммарным значением мидалева сечения волокон и нитей находящихся в пределах общей площади фильтровальной перегородки и включает сопротивление движению газового потока по межволоконному пространству.

6. Скоростные режимы потока газовоздушных смесей и наличие в них твёрдых частиц пыли при взаимодействии с волокнами и нитями фильтровальной перегородки влияет на характер турбулентности, а следовательно зависит от числа Рейндольдса.

7. Процесс фильтрации газов через текстильные перегородки подчиняется закону Дарси, согласно которому скорость фильтрации (разделения аэрозолей) зависит от напорного градиента перегородки, т.е. от её структуры и вида материала (коэффициента фильтрации).

8. Производительность текстильных фильтров при газоочистке зависит от площади фильтровальной перегородки и перепада давления газа на ней (т.е. от структуры фильтровальной перегородки).

9. Наряду с фильтровальной перегородкой из текстильного волокнистого материала в процессе очистки воздуха от пыли принимает

участие и сам пылевой осадок, формируемый в виде дендритов на поверхности фильтра.

10. Исследование фильтровальных перегородок различных структур показывает, что их фильтрующие свойства зависят от плотности (пористости) материала, а также от взаимного расположения волокон в структуре фильтра.

11. При использовании мотальных паковок сомкнутой структуры в качестве фильтров, аэраторов, диспергаторов или композиционных материалов, следует учитывать степень замыкания намотки-Р и изменение структуры взаимного расположения витков нити в зависимости от диаметра намотки паковок.

12. Использование в качестве рукавных трубчатых текстильных фильтров намоток специального назначения позволяет резко расширить их ассортимент, а применение нитевидных материалов различного сырьевого состава определяет многообразие областей их применения.

13. Однопроцессный способ формирования намоточных рукавных текстильных фильтров различной структуры обеспечивает низкую их себестоимость по отношению к остальным видам фильтров и высокую эффективность их работы.

14. Расчёт экономической эффективности внедрения нового оборудования и технологии очистки воздуха подаваемого в аэротенки биологической очистки, за счёт применения текстильных намоточных фильтров и аэраторов «Пантекс» даёт снижение затрат на 22% по сравнению с базовым.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание результатов исследований диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Сухотерин Л.Я., Калмыков A.A., Панин А.И., Панин И.Н., Кощеев О.В. Разработка новой технологии очистки вод с применением трубчатых текстильных фильтров // Изв. ВУЗов технология текстильной промышленности № 3,2012 г. с. 120.

2. Панин И.Н., Цимбалюк Е.П., Калмыков A.A., Сухотерин Л.Я. Патент «Патронный фильтр разделительный №RU 119635 U1 от 27.08.2012 г.

3. Сухотерин Л.Я., Калмыков A.A., Панин И.Н. Очистка сточных вод с помощью диатомита и трубчатых текстильных фильтров.// Экология производства №1, 2012, с.54.

4. Сухотерин Л.Я., Калмыков A.A., Панин И.Н., Пайметов А.Н. Эффективность трубчатых текстильных фильтров. //Экология производства №3, 2012, с. 64.

5. Панин И.Н., Рузаев В.И., Сухотерин Л.Я., Калмыков A.A. Оптимизация работы очистных сооружений канализаций //Экология производства №3, 2013, с. 71.

6. Калмыков A.A., Панин И.Н., Пайметов А.Н. Место текстильных паковок специального назначения в решении экологических задач. Сборник научных статей ДИТИ НИЯУ МИФИ «Теоретическиеи практические аспекты развития современной науки и образования. 2011, с. 118.

7. Калмыков A.A., Панин А.И., Сухотерин Л.Я. О дефектах намотки мотальных паковок, причины их возникновения и способы устранения. Сборник научных статей по итогам Научной конференции ППС ДИТИ НИЯУ МИФИ «Развитие и перспективы ВУЗовской науки и образования в современных условиях, 2012 с. 186.

8. Панин А.И., Калмыков A.A. Сматывание нити с бобин застилистой структуры Сб. научных трудов Международной НТК «Современные технологии оборудование текстильной промышленности». Москва, МГТУ, 2012.

9. Сухотерин Л.Я., Калмыков A.A., Князькин С.Н., кротов С.Ю. О влиянии структуры текстильных диспергаторов на работу воздуходувок. Вестник ДИТУД НИЯУ МИФИ.№1 2013.

Подписано в печать 21.11.13 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ № 172-Т Тираж 80

Редакционно-издательский отдел МГУДТ 115093, Москва, ул. Садовническая, 33, стр.1

Отпечатано в РИО МГУДТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ

На правах рукописи

I

ГЧ.^ПА 1. С7ППС

СУХОТЕРИН ЛЕОНИД ЯНКОВИЧ

Разработка и исследование структур текстильных фильтров, применяемых при очистке воздуха и газов

Специальность 05.19.02 -

«Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Панин И.Н.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ.....................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................5

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ СИСТЕМ И СПОСОБОВ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА И ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ОТ ПЫЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ....................................................7

1.1. Классификация технологий очисток воздуха и газов от пыли.......7

1.2. Классификация фильтров очистки воздуха и газов от пыли.........12

1.3. Пыль, её состав и свойства...................................................................16

1.4. Текстильные фильтры, применяемые для очистки воздуха и газов 24

1.5. Фильтры очистки воздуха и газов формируемые на базе тканей... 30

1.6. Методы очистки воздуха от органических загрязнений.................35

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.....................................................................39

ГЛАВА II ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУР ТЕКСТИЛЬНЫХ ПЕРЕГОРОДОК, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ОЧИСТКЕ ВОЗДУХА И ГАЗОВ.....................................................41

2.1. Определения и основные зависимости расчёта параметров фильтрования воздуха и газов......................................................................46

2.2. Анализ процессов использования различных текстильных фильтров применяемых при очистке воздуха и газов от пыли...............53

2.3. Исследование структур текстильных полотен на качество

очистки воздуха и газов.................................................................................61

2.4. Исследование структур металлических сеток фильтровальных

элементов, предназначенных для удаления пыли из промышленных газов...................................................................................................................70

2.5. Исследование текстильных перегородок, применяемых в качестве рукавных фильтров..........................................................................................75

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II...................................................................86

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА И ГАЗОВ ОТ ПЫЛИ ФОРМИРУЕМЫХ НА БАЗЕ МОТАЛЬНЫХ ПАКОВОК И ТКАНЕЙ...............................................................................................88

3.1. Исследование структур сомкнутых намоток, применяемых в качестве фильтровальных перегородок......................................................88

3.2. Воздушные фильтры, формируемые на базе мотальных паковок специального назначения.............................................................................96

3.3. Разработка конструкций мотального оборудования для формирования пористых перегородок трубчатых текстильных фильтров..........................................................................................................105

3.4. Влияние натяжения наматываемой нити на плотность

намоткимотальных паковок......................................................................110

3.5. Разработка конструкции и исследование мотального механизма для формирования трубчатых текстильных фильтров заданных типоразмеров..................................................................................................124

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III................................................................131

ГЛАВА IV. РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ.............................133

4.1. Оценка эффективности модульных установок пылеочистки.....133

4.2. Расчёт экономической эффективности внедрения модульных

систем очистки воздуха в МУП «Димитровградводоканал»...............136

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV................................................................138

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...........................................................................140

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..........................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ2..........................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..........................................................157

ч

ПРИЛОЖЕНИЕ 4..........................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ 5..........................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Рост промышленного производства в России, а также развитие крупных городов и образование Мегаполисов сопровождается не только скоплением людей в определённых регионах, но и в отдельных социально-значимых объектах, таких как метрополитены, вокзалы железнодорожного транспорта супермаркеты, больницыи т.д. Среди наиболее интенсивно развивающихся отраслей промышленности, где необходима очистка воздуха и газов-фармацевтия, пищевая промышленность, металлургия, производство строительных материалов, нефтехимическая и нефтегазовая отрасли, а также энергетика. В последние годы наметился рост производства микроэлектроники и других высокотехнологичных отраслей.

Расширение и развитие производства, наряду с положительными аспектами, имеет и негативные последствия, связанные с увеличением выброса в атмосферу различных загрязнений, что ухудшает экологическую ситуацию в промышленных регионах добычи нефти и местах скопления людей.

В связи с этим возникает необходимость применения различного воздухоочистительного и газоочистительного оборудования способного обеспечить очистку воздуха и газов на уровне, удовлетворяем требованиям экологических норм.

В тоже время существует другая задача - очистка приточного воздуха, которая вызвана тем, что в атмосферу поступают загрязнения от зон нефтедобычи, автотранспорта, за счёт эрозии почв, различных техногенных и технологических промвыбросов.

Эти загрязнения должны быть удалены из воздуха перед его подачей в помещения до уровня, удовлетворяющего требованиям санитарных и технологических норм.

Жесткие санитарные нормы по очистке воздуха требуют создания новых, высокоэффективных, надёжных, дешёвых и доступных средств,а также фильтровальных систем, что в свою очередь невозможно без разработки новых материалов и структур фильтровальных модульных установок формируемых на базе последних достижений текстильной науки и техники.

Разработка новых комплексных фильтров на базе тканей и мотальных паковок специального назначения актуальна и отвечает всем современным требованиям, предъявляемым к фильтрам необходимым для оснащения социально-значимых объектов с возможностью тонкой очистки воздуха и газов.

Именно решению данной задачи посвящена диссертационная работа.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ СИСТЕМ И СПОСОБОВ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА И ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ОТ ПЫЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Классификация технологий очисток воздуха и газов от пыли

В настоящее время очистку воздуха и газов подразделяют на тонкую, и грубую в зависимости от конечных (остаточных) концентраций пыли в очищенном воздухе и газе.

Основные исследования, посвященные промышленной очистке воздуха, были проведены в начале 20 века, а в России этот вопрос на научной основе был рассмотрен в работах [1, 2] профессором В.В.Батуриным, который определил цели и задачи очистки воздуха, а также предложил условия, что при тонкой очистке, воздуха конечная концентрация

3 3

пыли не должна превышать 1-2 мг/м ; при грубой очистке более 50 мг/м .

Тонкую очистку применяют для приготовления приточного воздуха тогда, когда наружный воздух по условиям загрязнений пылью не может быть непосредственно введён в помещение. Такой же вид очистки применяют и в том случае, когда для экономии топлива (необходимая для подогрева наружного воздуха), пользуются частным возвратом рециркуляцией отработавшего воздуха, причём такой способ целесообразен только в тех случаях, когда стоимость подогрева наружного воздуха оказывается значительно дороже стоимости его очистки.

Для местных, локальных зон производств применяют среднюю очистку.

Грубая очистка применяется для удаления крупных фракций пыли путём создания простейших устройств очистительных систем (за счёт поворотов воздуховодов, установки сеток и т.д.) и является предфильтровальной подготовкой воздуха.

Для очистки воздуха от пыли используется:

1. Сила тяжести;

2. Инерция движущихся частиц;

3. Пористые перегородки фильтров;

4. Влажные поверхности, к которым прилипают пылинки;

5. Каталитические способы очистки;

Наиболее крупные фракции под влиянием силы тяжести выпадают из воздушного потока на участках «отбойников», для чего воздух доувлажняют-«утяжеляют» частички пыли, за счёт распыления влаги или пара.

Сила инерции используется при поворотах воздуховодов, когда крупные и средние частицы продолжают прямолинейное движение и, ударяясь о стенки отбойников, теряют скорость и выпадают в виде осадка в специальные ёмкости - пылесборники.

Фильтрование воздуха - наиболее эффективный метод очистки его от механических примесей мелкого и среднего размера. Данный процесс происходит за счёт застревания пылинок в пористой среде фильтровальных перегородок из волокон, тканей, нетканых материалов, зернистых засыпных фракций, углей, сеток и т.д.

Влажные фильтровальные перегородки могут задерживать и мельчайшую пыль.

На основании использования силы тяжести частиц создают пылеосадочные камеры (предфильтры) для грубой очистки воздуха.

Сила инерции лежит в основе конструкций циклонов, инерционных пылеуловителей в камерах лабиринтного типа, перфорированных сеточных ловителях и т.д.

Пылеуловители и воздухоочистители можно классифицировать:

- по принципу действия;

- по коэффициентности очистки для данного дисперсного состава и вида пыли;

- по постоянству режима в отношении гидравлического сопротивления, расхода воздуха и степени очистки;

- по габаритным размерам.

Эффективностью или коэффициентом очистки воздуха называют отношение веса пыли уловленной пылеочистным устройством к весу поступившей на очистку пыли (в ту же единицу времени), выраженное в процентах.

Наиболее важное значение при очистке воздуха от пыли имеет её дисперсный состав, а именно весовое содержание частиц мельчайших фракций.

Так как частицы различных фракций по-разному задерживаются в пылеочистительных устройствах, то говорят иногда и о фракционных коэффициентах очистки.

Наиболее показательными величинами, характеризующими, пылеочистительное устройство являются:

1) коэффициент очистки;

2) гидравлическое сопротивление перегородки;

3) производительность фильтра;

4) экономические показатели (эксплуатационные расходы). Согласно ГОСТ Р 51251-99 введены следующие определения:

1. Фильтр очистки воздуха; фильтр воздушный - устройство, в котором с помощью фильтрующего материала или иным способом осуществляется отделение пыли и аэрозольных частиц от фильтруемого воздуха.

2. Фильтрующий материал для воздушных фильтров - материал, предназначенный для улавливания пыли и аэрозольных частиц из воздуха.

3. Частица - по ГОСТ Р 50766.

4. Размер частицы - по ГОСТ Р 50766.

5. Счётная концентрация частиц - по ГОСТ Р 50766.

6. Массовая концентрация частиц - масса аэрозольных частиц в единице объёма воздуха.

7. Класс фильтра - характеристика эффективности фильтра, выраженная условным обозначением.

8. Коэффициент проскока (Р, %); проницаемость - характеристика фильтра или фильтрующего материала, равная процентному отношению концентрации частиц после фильтра Ып к концентрации частиц до фильтра

N

Р = —-^-100

(1.1)

9. Эффективность (Е, %) - характеристика фильтра или фильтрующего материала, равная процентному отношению разности концентрации частиц до 1чГд и после фильтра Ып к концентрации частиц до фильтра Ыд:

N -К Е= п -100 П7ч

• С1-2)

10. Размер наиболее проникающих частиц - размер частиц, соответствующий минимальной эффективности фильтрующего материала.

11. Производительность фильтра; расход воздуха - объём воздуха в единицу времени, проходящего через фильтр.

12. Номинальная производительность фильтра; номинальный расход воздуха - производительность фильтра, при которой его характеристики определяются изготовителем (поставщиком).

13. Аэродинамическое сопротивление; перепад давления на фильтре -разность полных давлений до и после фильтра при определенной производительности фильтра.

14. Начальное аэродинамическое сопротивление фильтра при номинальной производительности.

15. Конечное аэродинамическое сопротивление фильтра аэродинамическое сопротивление фильтра, при котором он подлежит замене или регенерации.

16. Пылеёмкость фильтра - масса пыли, уловленной фильтром и накопившейся в нем при достижении значения конечного аэродинамического сопротивления.

1.2. Классификация фильтров очистки воздуха и газов от пыли

Фильтры очистки воздуха от пыли классифицируют по назначению и эффективности на:

фильтры общего назначения - фильтры грубой очистки и фильтры тонкой очистки;

фильтры, обеспечивающие специальные требования к чистоте воздуха, в том числе для чистых помещений - фильтры высокой эффективности и фильтры сверхвысокой эффективности. В работе [3] дано международное обозначение классов фильтров,которые указаны в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Группа фильтров Класс фильтра

Фильтры грубой очистки а

вз

Фильтры тонкой очистки Р5

¥6

¥7

¥9

Фильтры высокой эффективности НЮ

Н11

Н12

Н13

Н14

Фильтры сверхвысокой эффективности Ш5

Ш6

1Л7

Примечания

Фильтры общего назначения применяют в любых системах вентиляции и

кондиционирования воздуха.

Фильтры высокой и сверхвысокой эффективности обеспечивают

выполнение специальных требований к чистоте воздуха, в том числе в

чистых помещениях.

В зависимости от степени очистки воздуха и газов на текстильных перегородках их подразделяют по эффективности.

Классификация фильтров общего назначения приведена в табл. 1.2.

Таблица 1.2.

Группа фильтров Класс фильтра Средняя эффективность, %

Ес ЕА

Фильтры Грубой очистки Ес <65 -

в2 65 < Ес <80 -

вз 80 < Ес< 90 -

90 <ЕС -

Фильтры Тонкой очистки ¥5 - 40 < Еа< 60

¥6 - 60 <Еа<8 0

¥7 - 80 < Еа< 90

¥8 - 90 < Ес < 95

¥9 - 95 < Еа

Обозначения: Ес - эффективность, определяемая по систематической пыли весовым методом (по разности массовой концентрации частиц до и после фильтра); Еа - эффективность, определяемая по атмосферной пыли:

Допускается применение других методов определения эффективности фильтров, дающих результаты, адекватные табл. 1.2.

Сопоставление методов оценки эффективности фильтров общего назначения приведено в приложении 1.

Эффективность или коэффициент проскока фильтров определяются по расчетной концентрации проникающих частиц до и после фильтра. Значение эффективности фильтра, полученное другими методами, кроме метода оценки по размеру наиболее проникающих частиц, не может служить для целей классификации фильтров по данному стандарту. Интегральные значения эффективности и коэффициента проскока характеризуются усредненными значениями соответствующих показателей по всей рабочей поверхности фильтра. Локальное значение характеризуется значением

показателя в данной точке фильтра. Данная классификация фильтров приведена в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

Группа фильтра Класс фильтра Интегральное значение Локальное значение

Эффективн ости, % Коэффиц иента проскока, % Эффективн ости,% Коэффицие нта проскока, %

Фильтры высокой эффективности НЮ 85 15 - -

Н11 95 5 - -

Н12 99,5 0,5 97,5 2,5

Н13 99,95 0,05 99,75 0,25

Н14 99,995 0,005 99,975 0,025

Фильтры сверхвысокой эффективности Ш5 99,9995 0,0005 99,9975 0,0025

Ш6 99,99995 0,00005 99,99975 0,00025

Ш7 99,999995 0,000005 99,9999 0,0001

Основные требования, предъявляемые к фильтрам.

Общие требования:

конструкция фильтров должна обеспечивать удобство при монтаже, а также возможность демонтажа фильтров при их замене;

конструкция фильтров должна обеспечивать их надёжную герметизацию в установочных рамах вентиляционных систем и исключать возможность протечек воздуха между корпусом фильтра и установочными рамами;

Материалы:

фильтры, а также элементы конструкции крепления фильтров должны быть изготовлены из материалов, способных противостоять обычным атмосферным условиям в отношении температуры, влажности, коррозионной стойкости;

конструкция фильтра должна выдерживать механические нагрузки и другие виды нагрузок, которые могут воздействовать на фильтр в процессе его эксплуатации;

все материалы, в том числе и фильтрующий материал, при прохождении через них воздушного потока не должны выделять пыли, волокон или каких-либо других веществ, оказывающих вредное воздействие на человека или технологические процессы и оборудование, находящиеся в помещении, в которое подаётся воздух.

Аэродинамическое сопротивление:

начальное аэродинамическое сопротивление фильтра определяют при номинальной производительности фильтра. Дополнительно следует определять аэродинамическую характеристику фильтра, которая представляет собой график зависимо�