Soubory ke stažení

Mechanismy filtrace - vzduchové filtry

Jsou zde zobrazeny definice vzduchového filtru, procesu filtrace plynů a také popis s grafickým doplněním filtračních mechanismů, které jsou základem oddělení prachu od proudu plynu, tzn. čištění vzduchu od nežádoucích znečištění.

Mechanismy filtrace – vzduchové filtry

Vzduchový filtr pevných částic (nebo také k filtraci prachu) je zařízení, které v procesu filtrace (čištění) vzduchu (plynu) separuje pevné částice (např. prach) z proudu protékajícího vzduchu (plynu) a dále je zadržuje na povrchu nebo mezi filtračními prvky (např. vlákny) prostřednictvím mechanismů filtrace.

Proces filtrace vzduchu (plynu)

Proces filtrace vzduchu (plynu) je jev nebo soubor fyzikálních jevů, vlivem kterých jsou aerosolové částice vylučovány z proudu vzduchu (plynů), ve kterém jsou obsaženy, když se při proudění nachází v blízkosti povrchu kolektorů (filtračních prvků, např. vláken, granulí). Proces filtrace vzduchu je tedy výsledkem složitého systému jevů působících v prostoru filtračního zařízení, podporujících odstraňování částic z plynu a jejich usazování na povrchu kolektoru (vlákna). Když zůstanou dostatečně dlouhou dobu v oblasti působení různorodých sil a jevů, se mohou částice usazovat na povrchu kolektoru v důsledku bezprostřední srážky nebo mohou být k němu směřovány v důsledku působení filtračních mechanismů. Tyto mechanismy mohou působit jednotlivě nebo v odpovídající kombinaci, přičemž působení jednoho z nich je vždy dominující. Proces filtrace vzduchu je procesem čištění vzduchu od nečistot v podobě pevných částic následující cestou jejich mechanického oddělení z proudu vzduchu a dále procesem čištění vzduchu od nečistot v podobě plynových částic následující cestou jejich chemické nebo fyzické sorpce sorbentem.

Mechanismy filtrace

Mechanismy filtrace jsou jevy, z jejichž výskytu vyplývá separace částic prachu z toku proudícího vzduchu (plynu) a jejich zadržení na povrchu nebo mezi filtračními prvky (např. vlákny).

Mechanismus molekulární difuze

Se zmenšováním se průměrů částic prachu a jejich hmotnosti, až do dosažení velikosti charakterizujících částice plynu, zrna budou ve stále větší míře podléhat zákonům řídícím kinetiku plynů. Částice plynu, které se nachází v neustálém pohybu, budou narážet do submikronových zrn (o průměru < 1 μm) a uvádět je do klikatého pohybu zvaného Brownovým pohybem. Dráhy pohybu velmi drobných částic prachu, přemisťujících se spolu s proudem plynu a pohybujících se navíc Brownovými pohyby, mohou výrazně odbíhat od tvaru drah proudu, také v pásmu obtékání filtračního prvku. Srážky částic plynu, pohybujících se Brownovým pohybem, s částicemi prachu mohou způsobit vyloučení nejmenších zrn prachu z proudu plynu směrem k filtračním prvkům. Jednotlivé částice prachu, nacházející se v proudu plynu proudícího na filtrační prvek, budou mít různé možnosti srážky s povrchem tohoto prvku. Význam difuzního mechanismu je obzvláště důležitý pro submikronové částice. Pro částice větší než 1 μm Brownův pohyb slábne, nabírá podoby chvění, a pro částice větší než 20 μm – se stávají nepostřehnutelné. V případě částic o průměrech 0,3÷1 μm má součinitel difuze nízké hodnoty, a současně je pro tyto částice, v rozmezí rychlosti do 1 m/s, efekt setrvačného usazování rovněž malý. Můžeme přijmout, že efekt difuzního usazování je dobře viditelný pro částice o průměru nepřekračujícím 1 μm, zejména v případě, kdy je průměr vlákna větší, než průměr zrna. V podmínkách vysoce účinného čištění aerosolu se prakticky vyskytuje pouze jev difuze a zachycení.

echanismus molekulární difuze

Mechanismus setrvačné srážky

Při průtoku zaprášeného vzduchu kolem filtračních prvků dráhy částic prachu s větší hmotností a s velkým průměrem nejsou identické s dráhami proudu. Tyto částice opouštějí dráhu proudu a dostávají se k povrchu filtračního prvku (k vláknu ve filtrační vrstvě) přes vrstvu u stěny. Tento mechanismus usazování se vyskytuje při velkých rychlostech průtoku vzduchu (1÷3 m/s) a dále pro částice s velkými rozměry. Při velmi malé hmotnosti částic, jejich malém průměru (< 1 μm) a ne příliš velké rychlosti průtoku (< 1 m/s) může být pravděpodobnost setrvačné srážky s povrchem vlákna poměrně malá. Prakticky pro částice o průměru ≤ 0,2 μm a rychlosti nižší než 1 m/s vliv setrvačnosti na celkovou účinnost filtrace může být zcela pominut. Zatímco pro částice ≥ 1 μm se mechanismus setrvačnosti stává jedním z nejdůležitějších jevů v procesu filtrace.

mechanismus setrvačné srážky

Mechanismus záchytu

Částice prachu se může srazit s filtračním prvkem pohybujícím se také podél trati proudu plynu, a tedy bez vlivu mechanismu setrvačnosti. Tento jev, zvaný mechanismem záchytu, může nastat v případě velmi malých částic prachu s nepříliš velkou hustotou, pohybujících se s nižší rychlostí, a tedy tehdy, když jev setrvačného usazování je nepodstatně malý. V krajním případě může mechanismu záchytu podléhat částice, která se setká s povrchem filtračního prvku. Účinnost zadržení zrn v důsledku záchytu roste rovněž spolu se zvětšováním se rozměrů částic. Na zvýšení efektivity filtrace v případě, kdy dominujícím jevem je záchyt, má největší vliv současný výskyt v materiálu vláken různé tloušťky a z toho vyplývající efekt stínění.

mechanismus záchytu

Mechanismus gravitačního usazování

Jev gravitace má významný vliv na dráhy pohybu a rychlost pohybování se částice prachu tehdy, když zaprášený plyn proudí přes filtrační vrstvu s velmi nízkou rychlostí a částice jsou s velkými průměry. Gravitační usazování na povrchu filtračního prvku může být viditelný u částic o velikosti 1 mm, pokud budou proudit s rychlostí nižší než 0,5 mm/s přes vrstvu utvořenou z vláken o průměru 10 μm.

Mechanismus elektrostatického působení

Na charakter pohybu částice prachu v blízkosti filtračního prvku, a tedy také na pravděpodobnost srážky, mohou mít vliv rovněž síly elektrostatického působení jak mezi samotnými částicemi, tak i mezi částicemi a filtračními prvky. Když na soustavu částice-kolektor (vlákno) nepůsobí vnější elektrické pole, je možné rozlišit následující případy elektrostatického působení:

  • nabitý kolektor – nabitá částice
  • nabitý kolektor – částice neutrální
  • nabitá částice – neutrální kolektor

Každá částice prachu a kapka tekutiny pohybující se spolu s plynem může mít elektrický náboj. Tyto náboje vznikají jak v průběhu vytváření se prachu a mlhy, tak i v průběhu jejich přenosu plynem a dále nárazů o povrch pevných těles. V přirozeně zelektrizovaných aerosolech (práškově-plynových a kapalno-plynových) existuje všeobecně rovnováha nábojů kladných a záporných. Převaha součtu nábojů jedné polarity nad součtem nábojů druhé polarity nepřekračuje 20 %. O převaze jednoho z nábojů rozhoduje druh materiálu dispergované fáze, způsob jejího vzniku a transportu. Zato na výskyt elektrostatického náboje v materiálu může mít vliv elektrické nabíjení vláken filtru v důsledku:

  • tření při průtoku plynu přes filtr
  • kontaktu elektricky nabitých částic s povrchem vláken
  • srážky částic nebo jejich odtržení z povrchu vlákna
  • elektrického náboje vláken souvisejícího s jejich výrobou

Mechanismus síta

Týká se pouze částic, jejichž průměr je větší než volný průřez mezi vlákny.

mechanismus síta

Mechanismus chemické sorpce

Sorpce čili pohlcování jedné látky druhou je výsledkem působení disperzních sil - Londonova interakce (druh Van der Waalsových sil mezimolekulární interakce). Tyto síly mají podobné vlastnosti jako gravitační síla působící např. mezi planetami ve sluneční soustavě. Částice aktivního uhlí může odstraňovat částice plynových nečistot vzduchu pomocí adsorpce (povrchové sorpce).

mechanismus chemické sorpce

Druhy mechanické filtrace

Množství nečistot a používaný mechanismus filtrace rozhodují o tom, zda na filtračním prvku dochází k filtraci povrchové nebo hloubkové. Význam zde mají rovněž rozměry částic a vzdálenosti mezi např. vlákny ve filtračním prvku. K povrchové filtraci dochází v případě zadržení převažujícího množství nečistot v podobě pevných částic, obsažených ve filtrovaném vzduchu na povrchu filtračního prvku. Vzniká pak vrstva nečistot (filtrační koláč), který se následně účastní procesu filtrace. Postupem času tato vrstva narůstá, roste rovněž průtočný odpor. K hloubkové filtraci, nazývané také objemovou, dochází zase v případě malého množství pevných částic, které jsou buď zadržovány na povrchu filtračního prvku, anebo pronikají do jeho struktury. Pak nelze rozlišit výraznou vrstvu.

Přečtěte si více