مبانی طراحی، عملکرد و بهره‌برداری از فیلترهای کیسه‌ای

مبانی طراحی، عملکرد و بهره‌برداری از فیلترهای کیسه‌ای

فرمت: Pdf  تعداد صفحات: 104

فهرست:

• مقدمه
• بخش اول: مکانیسم جمع آوری ذرات
• بخش دوم: ویژگی های گاز
• بخش سوم: ویژگی های ذره
• بخش چهارم: جریان از میان بستر متخلخل
• بخش پنجم: انتخاب پارچه
• بخش ششم: معادلات طراحی
• بخش هفتم: راهبری و نگهداری بگ فیلتر
• منابع

مقدمه:

فیلتراسیون پارچه ای نقش فزاینده ای در تکنولوژی های کاهش انتشار ذرات در صنایع ایفا می کند. فیلتر پارچه ای، شامل یک لایه انعطاف پذیر متخلخل از منسوجات است که با عبور گاز حاوی گرد و غبار از میان آن، ذرات از جریان گاز جدا می شود. با افزایش تجمع ذرات، مقاومت نسبت به جریان گاز افزایش می یابد. مواد نشست کرده بر روی پارچه نیز بوسیله مکانیسم های تمیز کاری، به صورت دوره ای از روی پارچه برداشته می شود تا بتواند افت فشار را در محدوده شرایط طراحی نگهدارد. فیلترهای پارچه ای به طور موثر توانایی حذف ذرات با قطر زیر میکرونی فیوم ها تا ذرات پودری با قطر ۲۰۰ میکرون را دارند. پارچه ها برای دماهای تا ۵۵۰ درجه فارنهایت وجود دارند و مقاومت شیمیایی خوبی در برابر ترکیبات گازها و ذرات دارند. به دلایل اقتصادی، افت فشار آنها عموما بین ۲ تا ۳ اینچ آب انتخاب می شود اما در بعضی طراحی ها ممکن است تا ۱۰ اینچ آب نیز برسد. اندازه جمع آوری کننده ها از چند فوت مربع تا چند صد هزار فوت مربع وجود دارد. دبی انتقالی این فیلترها نیز از ۱۰۰ CFM تا ۱۰^۶ CFM متغیر است. واحدهای کوچک تا چند صد فوت مربعه صورت پیش ساخته به محل نصب منتقل شده و واحدهای بزرگتر عموما در محل نصب ساخته و مونتاژ می شوند.

استفاده از پارچه های بافتنی اولین بار در مصر باستان برای آسیابان ها و نانوایان استفاده شد که پارچه های بافتنی را بر روی صورت و بینی می بستند. احتمالا اولین کاربرد فیلترهای صنعتی مربوط به بازیافت مواد با ارزش از غبار و فیوم بوده است. به علاوه سنگ های معدنی حاوی آرسنیک و سرب نیز باعث آسیب به سکنه اطراف، احشام و وسایل و همچنین تحمیل هزینه های هنگفت می شد.

در طول دوره توسعه اقتصادی که مصادف بود با گسترش راه آهن در سال ۱۸۶۹، صنایع بزرگ ذوب فلزات نیز توسعه پیدا کردند و همین امر باعث شد که در طول سال های ۱۸۸۰ تا ۱۸۹۰ بگ هاوس های بزرگ صنعتی که حاوی چند هزار کیسه بودند، طراحی و ساخته شوند. که برای فرآیندهای مانند ذوب سرب و روی مورد استفاده قرار می گرفتند. کوره های ذوب مس و اجاق گاز های کبابی، غلظت های بالایی از دی اکسید سولفور و تری اکسید سولفور تولید می کردند که به علت خاصیت تخریبی که بر روی کیسه ها داشتند، امکان استفاده از بگ هاوس های معمول وجود نداشت. با این وجود آغشته کردن کیسه ها به مواد خنثی کننده ای شبیه اکسید روی و آهک باعث شد که این کیسه ها در سال ۱۹۰۹ برای این گونه فرآیندها پیشنهاد گردد.

در اوایل دهه ۱۹۱۰، افزایش کاربرد رسوب دهنده های الکترواستاتیک که تا سال ۱۹۲۰ نیز ادامه یافت باعث شد که روند توسعه فیلترهای پارچه ای کاهش یابد و همچنین ساخت دودکش های بلند و فرآیندهای بازیافت گازهای سولفور توسعه فیلتر های پارچه ای را متوقف کرد و فیلترهای پارچه ای بیشتر برای کوره های ذوب روی و سرب استفاده می شدند. در اوایل دهه ۱۹۵۰ تلاش های چشمگیری برای توسعه تکنولوژی های جدید صورت گرفت این تلاش ها بیشتر در جهت طراحی روش های جدید تمیز کاری و همچنین تولید پارچه های مصنوعی بود که در برابر دماهای بالا و مواد خورنده مقاوم بودند.

اولین روش های تمیز کاری برای برداشتن غبار و فیوم از داخل کیسه شامل تکان دادن و ضربه زدن به کیسه ها بود که بوسیله دست یا اهرم مکانیکی انجام می شد که این امر باعث می شد کارگران در حین تمیزکاری با غبار و فیوم های مضر مواجه داشته باشند که بویژه در مورد غبارهای حاوی آرسنیک و سرب از نظر سلامتی خطرناک بود. بعدها در طول سال های ۱۸۸۰ تا ۱۹۱۰ سیستم های لرزشی اتوماتیک توسعه پیدا کردند که عملا خطرات بالقوه را حذف کردند.

فیلتراسیون پارچه ای یک فرآیند جداسازی فیزیکی است که در آن گاز یا مایع حاوی ذرات جامد از درون یک بستر متخلخل عبور می کند که باعث به جا ماندن ذرات جامد می شود. فیلتراسیون پارچه ای به طور موثر آلودگی های محیطی موجود در جریان گاز یا مایع را کنترل می کنند.

مکانیسم جمع آوری ذرات

جذب ذره بوسیله جمع آوری کننده بدون در نظر گرفتن شکل ذره، به مشخصات ذره، جمع آوری کننده و جریان گاز و سرعت نسبی بین آنها بستگی دارد. در بیشتر مواقع حرکت جریان گاز عبوری از میان موانع ثابت و متحرک، سرعت نسبی را تعیین می کند اگرچه نیروهای انتشاری، الکتریکی و ارتعاشی به اثرات سرعت کمک می کند. روابط متقابل بین متغیرهای اصلی که مسئول جمع آوری ذرات هستند در این بخش مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. مهمترین مرحله در تحلیل سیستمهای فیلتراسیون این است که تعیین کنیم چه عواملی در ایجاد تماس بین ذره و فیبر موثر است. عملکرد یک فیلتر عموما با بازدهی و افت فشار توصیف می شود. بازدهی جمع آوری نیز عبارتست از نسبت تعداد ذرات جمع شده بر روی فیلتر به تعداد ذرات عبور کرده از بستر فیلتر، نفوذ نیز به عنوان یکی از مشخصه های عملکرد فیلتر است که به صورت P=1-E تعریف می شود و شکل نمایی آن به صورت زیر است:

P= exp (-4ahη / π(1-a) D_f)

استحکام فیلتر،  ضخامت بستر،  قطر فیبر و  بازدهی یک فیبر است. مدل سازی فیلتراسیون شامل مدل سازی مکانیسم های مسئول در جمع آوری ذرات بوسیله فیبر است. یکی از مشکلات عمده در مدل سازی فیلتر ها، توصیف ساختار پیچیده این بسترها است. یک فیلتر عموما ترکیبی تصادفی از فیبرهای مختلف است لذا برای توصیف جریان و ساده سازی معادلات در این فیلترها بهتر است که یک ساختار ایده آل ساده در نظر گرفته شود. ساده ترین مدل ها شامل در نظر گرفتن یک تک فیبر است که به صورت عمود بر مسیر جریان است و تاثیر فیبرهای مجاور در ایجاد تداخل در جریان بستر، در نظر گرفته نمی شود.

جمع آوری ذرات در فرآیند فیلتراسیون به دلیل یک یا چند مکانیسم از قبیل برخورد مستقیم، برخورد اینرسی، حرکت براونین، الکترواستاتیک، گرانشی و الک مستقیم اتفاق می افتد.

تئوری های جذب ذرات بوسیله این مکانیسم ها بر اساس فرضیات زیر استوار است:

• موانع جمع آوری کننده که در مسیر جریان قرار دارند به اندازه کافی دور هستند به طوری که جریان سیال در اطراف یک مانع تکی می تواند بوسیله یک جریان نزدیک یک مانع ایزوله، نشان داده شود به عبارتی اثرات تداخل جریان بوسیله موانع مجاور نادیده گرفته می شود.
• ذرات در حین نزدیک شدن به سطح، با آن واکنش نمی دهند و یا باعث انحراف جریان و ایجاد درگ یا خیزش هیدرودینامیکی مضاعف نمی شوند.
• ذرات همیشه به سطح تماس می چسبند ، به عبارتی مهاجرت سطحی و بازگشت مجدد به جریان نادیده گرفته می شود.

فرض اول مورد نیاز است تا بتوان میدان جریان سیال در حال نزدیک شدن به یک شی را تعریف کرد. اگرچه این یک فرض منطقی است، در شرایط عملکرد فیلتر پارچه ای رسوب زیاد ذرات مجاور بر روی بستر، به طور کامل بر میدان جریان فائق می آید موانع جمع آوری کننده به یکدیگر نزدیک هستند و در مواقع تشکیل کیک یا لایه غبار فرآیند فیلتراسیون ذرات بر روی ذرات قبلی رسوب کرده ادامه می یابد.

۱- برخورد مستقیم (Direct interception):

صرف نظر از تغییرات مسیر جریان گاز، اگر مسیر حرکت ذره همیشه منطبق بر خط جریان گاز باشد فقط ذراتی که حدود مرزی آنها فراتر از خط جریان پشتیبان است می توانند تماس فیزیکی با جمع آوری کننده داشته باشند(اگر فاصله بین مرکز ذره و سطح بیرونی فیبر کمتر از شعاع ذره باشد).به عبارتی ذرات با اندازه متوسط که اینرسی کمی دارند تمایل دارند که همراه جریان به اطراف فیبر حرکت کنند اما نمی توانند این کار را به طور کامل انجام دهند لذا به کناره های فیبر برخورد می کنند. اگرچه تماس بین ذره و جمع آوری کننده همیشه برگشت ناپذیر نیست ولیبرای اهداف تحلیلی در اینجا اینگونه فرض می شود.این مکانیسم جمع آوری در مواقعی که قطر ذره و فیبر خیلی شبیه باشند و یا فیبر مانع نفوذ مستقیم بیشتر شود،یک نقش اصلی در فیلتراسیون دارد.در این فرآیند به غیر از محل قرار گیری ذره ، سایر ویژگی های فیزیکی ذره تاثیری در ربایش ندارد. بازدهی برخورد در رابطه زیر، یک برآورد تقریبی از بزرگی تاثیر برخورد ارائه می دهد

ηDI=(2-lnR_ef)^-1 (Dp/Df)

این رابطه نشان می دهد که در یک قطر مشخص از ذره، با کاهش قطر فیبر اثر برخورد افزایش می یابد.  عدد رینولدز فیبر است که یک برآورد تقریبی از اثر مرزی فراهم می کند:

R_ef= D_fVρ_g / μ

که در آن  برابر قطر ذره،  سرعت نسبی بین ذره و فیبر،  چگالی گاز و  ویسکوزیته گاز است. در مقادیر خیلی کم، عدد رینولدز (کمتر از ۱) نشان دهنده جریان آرام است در حالی که اعداد بالا (بزرگتر از 10³) نشان دهنده شرایط آشفته است که انتقال ذره به جمع آوری کننده بوسیله حرکت ادی(eddy motion) را افزایش می دهد بین اعداد ۱ تا 10³ نیز مربوط به جریان انتقالی است.

شکل 1 مکانیسم های برخورد ذرات

۲- برخورد اینرسی (Inertial impaction):

هنگامی که یک سیال به یک مانع نزدیک می شود عناصر سیال شتاب می گیرند و دچار انحراف می شوند تا بتوانند از اطراف مانع عبور کنند. ذره ای که در درون سیال معلق است ممکن است نتواند بلافاصله خود را با شتاب موضعی سیال مطابقت دهد و یک اختلاف سرعت بین ذره و سیال ایجاد شود. اینرسی تمایل دارد که ذره را در مسیر رو به جلو نگهدارد در حالی که انحراف و واگرایی سیال تمایل دارد ذره را به سمت کناره بکشد.حرکت بعدی ذره در نتیجه نیروی اینرسی و درگ سیال می باشد. نیروهای اینرسی باعث می شوند که یک ذره در حین نزدیک شدن به یک مانع، از آن جدا شده و به مانع برخورد کند.مقداری که ذره از خط جریان حامل خود جدا می شود و به سطح جمع آوری کننده مهاجرت می کند به تعامل بین نیروی اینرسی (یا سانتریفیوژ) ایجاد شده بوسیله حرکت ذره و نیروی درگ (مقاوم در برابر حرکت ذره) بستگی دارد.نیروی درگ تابعی از ویسکوزیته گاز، اندازه ذره و سرعت نسبی بین ذره و جریان گاز حامل دارد

ادامه مطلب را با دانلود فایل (باکیفیت و تایپ شده) مشاهده کنید

حتما بخوانید:

⇐ مروری بر نکات عملیاتی غبارگیرهای کیسه ای (Bag house)

⇐ جمع آوری و دفع ذرات

⇐ تصفیه کننده های هوا پالایشگرها

   

نویسنده: سیروان شیخی

«تجربه در صنعت»، زیربنایِ اشتیاقِ من به دنیایِ HSE است. با بیش از ۱۳ سال فعالیت اجرایی و تخصصی، هدفم در این وب‌سایت، پل زدن میان دانشِ آکادمیک و نیازهای واقعیِ صنعت است. همراه با تیم تخصصی‌ام، می‌کوشیم تا با ارائه محتوای کاربردی و به‌روز، مسیرِ رشد حرفه‌ای شما را هموارتر کنیم. خوشحال می‌شوم در صفحه لینکدین، تجربیاتمان را به اشتراک بگذاریم و در این مسیر تخصصی همراه هم باشیم.