Учебный вопрос № 2. Способы очистки воздуха

В криогенных системах для очистки сжатого воздуха применяются силовые поля, фильтрация и осушка. В схемах и устройствах очистки могут последовательно применяться несколько способов очистки. Область применения этих способов и их эффективность для очистки воздуха определяются характеристиками очистных устройств, реализованных на указанных способах. Поэтому перед подробным рассмотрением основных способов очистки воздуха здесь приводятся основные понятия о важнейших параметрах очистных устройств.

Из-за сложности определения действительного значения дисперсного состава загрязнений в сжатом воздухе возникает необходимость выражать эффективность очистки косвенными параметрами:

для устройств очистки с применением силовых полей – минимальным диаметром задерживаемых частиц;

для устройств очистки фильтрующего типа – номинальной и абсолютной тонкостями фильтрации.

Для устройств осушки эффективность очистки определяется точкой росы сжатого воздуха на выходе.

Гидравлическое сопротивление. Этот параметр характеризует величину энергетических потерь в устройствах очистки. Обычно гидравлическое сопротивление (потери давления) указывается в миллиметрах водного столба или килограмм-силе на квадратные сантиметры при номинальном значении расхода сжатого воздуха через устройства.

Расходная характеристика. В технических данных часто указывают пропускную способность или номинальный расход воздуха при наибольшем рекомендуемом перепаде давления или при наибольшей скорости воздуха, устанавливаемой исходя из условия обеспечения параметра эффективности очистки.

Срок службы. Для устройств очистки этот параметр связан с продолжительностью работы до замены или регенерации фильтроэлементов, электродов или адсорбентов.

Очистка воздуха путем фильтрации. Процесс очистки сжатого воздуха от загрязнений благодаря их взаимодействию с элементами пористой перегородки называется фильтрацией.

Фильтрующие материалы (пористые перегородки) условно разделяют на два вида: поверхностные (частицы удерживаются поверхностью фильтрующего материала) и объемные (частицы удерживаются не только на поверхности, но и в толще фильтрующего материала).

К поверхностным фильтрующим материалам относятся сетки, бумага, ткани, к объемным – картон, металлокерамика, керамика, войлок и т.д., а также пакеты, состоящие из нескольких слоев поверхностных фильтрующих материалов.

Наибольшее применение для очистки сжатого воздуха пневматических систем получили металлокерамические и волокнистые фильтрующие материалы.

Инерционный способ очистки. Очистка сжатого воздуха с использованием инерционных сил производится в центробежных, аэродинамических устройствах и с ударом воздуха о перегородку.

Рис. 1. Принципиальные схемы инерционных очистителей:

а – центробежного; б – аэродинамического; в – с ударом воздуха о перегородку.

Наибольшее применение получили центробежные отделители, в которых загрязнения выходят из потока, совершающего круговое (спиральное) движение, под действием центробежных сил. Благодаря характеру движения потока воздуха большая группа устройств этого типа получила название циклонных очистителей.

Гравитационный способ очистки. Очистка сжатого воздуха с использованием гравитационных сил производится в воздухосборниках, отстойниках и специальных устройствах (рис. 2).

Кроме того, гравитационные силы используются для отвода влаги и твердых частиц из рабочей зоны инерционных, фильтрующих и других устройств.

Хотя очистители этого типа могут обеспечить достаточно высокую степень очистки сжатого воздуха от твердых частиц и жидкой влаги, их промышленное применение в качестве очистных устройств ограничено из-за больших габаритов и жестких требований к конструкции, которая должна исключать возможность завихрения и неравномерность скорости потока.

Рис. 2. Гравитационная пылеулавливающая камера

Электростатический способ очистки. Очистка в электрических устройствах основана на использовании сил электрического притяжения. Поток воздуха поступает в поле постоянного тока высокого напряжения с симметрично расположенными электродами, где отрицательно заряженные твердые частицы и влага притягиваются к положительному электроду с большой поверхностью, а частицы с положительным зарядом собираются на отрицательном электроде (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема электростатического очистителя

Несмотря на ряд преимуществ электростатического способа очистки (высокая эффективность, малое гидравлическое сопротивление, высокая термостойкость и т.д.), последний получил ограниченное применение в промышленности из-за высокой первоначальной и эксплуатационной стоимости устройств, а также из-за снижения эффективности очистки при загрязнениях с высоким удельным электрическим сопротивлением. Вместе с тем следует отметить, что высокая эффективность очистки воздуха от газообразных загрязнений и паров делает эти устройства незаменимыми в ряде производств.

Осушка сжатого воздуха. Очистка воздуха от паров воды и масла (осушка) производится при помощи охлаждения с последующим удалением конденсата или поглощением его различными веществами (абсорбция и адсорбция).

Конденсация. При охлаждении воздух становится насыщенным, и часть влаги, равная разности между действительным содержанием ее в воздухе и содержанием, соответствующим насыщению воздуха при данной температуре, выпадает в виде жидкости.

Охлаждение воздуха производится в трубчатых холодильниках с использованием в качестве охладителя воды или специальных холодильных установок. Трубчатые холодильники применяются в основном на компрессорных станциях в сочетании с концевыми влагомаслоотделителями, устанавливаемыми за ними. Степень осушки в трубчатых холодильниках зависит от температуры охлаждающей воды. Обычно в холодильниках этого типа температура сжатого воздуха на выходе на 10ºС выше температуры охлаждающей воды. Так, для охлаждения воздуха до 18-20ºС необходимо подавать в холодильник воду с температурой не выше 10ºС, что в летнее время можно обеспечить только подачей воды из артезианской скважины. Обычно температуры сжатого воздуха на выходе из трубчатых холодильников летом составляет 30-50ºС.

Для обеспечения более эффективного охлаждения сжатого воздуха применяют холодильные установки с использованием для охлаждения в них аммиака, фреона-12, хлорметила, углекислоты и др.

Абсорбция. Метод состоит в пропускании сжатого воздуха через вещества, способные поглощать влагу всем объемом. Большинство абсорбентов химически взаимодействует с водяным паром, некоторые при этом меняют свою консистенцию, разжижаются.

Жидкие абсорбенты впрыскивают в поток газа или газ пропускают через заполненные колонки, в которых абсорбирующая (безводный сульфат кальция, перхлорат магния) не изменяет своего агрегатного состояния, другие (хлорид кальция, гидраты окисей щелочей) разжижаются. В связи с тем, что некоторые абсорбенты вообще не восстанавливаются и непригодны для повторного использования, а для восстановления остальных требуется специальная технология, промышленное применение абсорбентов для осушки сжатого воздуха ограничено. Имеются данные о применении за рубежом устройств с абсорбентом, которые удобны и просты в эксплуатации, так как для ухода за ними требуются только периодическая добавка абсорбента и надежный дренаж.

В отечественной практике абсорбция применяется редко, преимущественно для осушки небольших объемов сжатого воздуха или газов в лабораторных условиях.

Адсорбция. Более широкое применение в промышленности получил метод адсорбции, так как используемые при этом поглотители (адсорбенты) не вступают в химическую реакцию с влагой и после насыщения легко восстанавливают адсорбирующие свойства путем нагревания до температуры 150-250ºС или продувки осушенным воздухом.